PROPOSTA DE MELHORIA NA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA ILUMINAÇÃO PÚBLICA DO CAMPUS DE SÃO CARLOS NA UFSCAR

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS

PROPOSTA DE MELHORIA NA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA ILUMINAÇÃO PÚBLICA DO CAMPUS DE SÃO CARLOS NA UFSCAR

Iveli de Paula Sousa

Resumo

Este trabalho apresenta uma proposta para melhoria na eficiência energética no estacionamento do Prédio de Aula AT-7, localizado na área Norte do campus de São Carlos da UFSCar. A latitude da cidade de São Carlos e o entorno do local a ser estudado favorecem o uso de sistemas de energia solar fotovoltaica. Para soluções de iluminação pública o mais comum é a utilização de sistemas autônomos. Esses sistemas caracterizam-se por não serem conectados à rede elétrica. O sistema proposto também utiliza luminárias com lâmpadas LED em vez das lâmpadas de vapor de sódio que são comumente utilizadas nos sistemas de iluminação. Foram coletados dados no local e realizou-se medições em campo para caracterizar o sistema atual. As alternativas propostas foram orçadas com suas respectivas empresas e com esses dados foi realizado o estudo da viabilidade econômico-financeira. Ao final do trabalho é apresentado uma das soluções viáveis para a alteração do sistema atual.

Palavras-chave: Energia solar. Sistemas autônomos. Iluminação Pública.

Abstract

This work presents a proposal to improve energy efficiency in the parking lot of the Classroom Building AT -7, located at the northern area of São Carlos campus of the Federal University of São Carlos. The latitude of the city of São Carlos and the surroundings of the place to be studied allow the use of photovoltaic solar energy systems. For solar street lighting solutions, it is common to use autonomous systems. These systems are characterized by not being connected to the power grid. Solar power generation systems charge the batteries in the daytime storing energy and at night they power the lamps. The proposed system uses LED lamps instead of sodium vapor lamps providing greater savings since the life of this type of lamp is far superior to the others. On-site data were collected and field measurements were performed to characterize the current system. The proposed alternatives were budgeted with their respective companies and with these data the economic-financial viability study was carried out. At the end of the work one of the viable solutions for the current system change is presented.

Palavras-chave: Solar energy. Off-grid systems. Street lighting.

Introdução

Nas últimas décadas, o uso de energia solar tem sido bastante estudado principalmente por ser uma alternativa de energia limpa que traz diversos benefícios a longo prazo. O uso de formas de energia provenientes de fontes não-renováveis na atualidade é cada vez mais importante para desenvolvimento sustentável do planeta e a energia proveniente do sol – que é uma fonte inesgotável de energia – oferece uma opção bastante competitiva.

Foi durante a crise do petróleo nos anos 70, que o interesse em energia solar aumentou de maneira considerável juntamente com os avanços no melhor aproveitamento da iluminação natural, sistemas solares de água quente e placas fotovoltaicas. (Muhs, 2000)

No Brasil, quase toda eletricidade é proveniente de usinas hidrelétricas. A água dos rios é renovada constantemente graças ao ciclo de evaporação, o que faz com que a energia hidrelétrica seja considerada uma fonte de energia renovável. Comparado a países desenvolvidos, o Brasil emprega muito as fontes de energia renováveis porém sua geração de eletricidade final é muito baixa em relação a esses mesmos países. (VillalvaGazoli, 2012)

Devido ao seu imenso potencial fotovoltaico, o Brasil pode se tornar um dos líderes mundiais em energias alternativas. Villalva e Gazoli (2012)  afirmam que “embora o país seja conhecido por possuir uma matriz de geração de eletricidade relativamente limpa e bastante renovável, esta situação não vai perdurar nos próximos anos sem o uso de novas fontes de energia”.

As grandes vantagens trazidas por esses sistemas são sua longa vida útil, manutenção mínima e o fato de não requerem combustível além do Sol. Além disso, os sistemas de energia solar evitam gastos de transmissão de energia e reduzem as perdas de energia do sistema.

Motivação e Justificativa

 A iluminação pública, além de seu objetivo principal de aumentar a segurança e visibilidade de motoristas e pedestres, serve como instrumento de prevenção da criminalidade, embelezamento das vias urbanas e permite a utilização dos espaços em períodos noturnos. Por essas razões, é necessário que a iluminação urbana seja de fato eficiente.

A Eletrobrás já apontava que em 2001 a iluminação urbana correspondia ao segundo maior gasto da administração pública. Os dados divulgados mostram que 1,33 milhões de MWh foram vendidos em 2014 e 1,44 milhões de MWh em 2015. O faturamento consolidado da classe de iluminação saiu de 341 milhões de reais em 2014 para 566 milhões de reais em 2015, alcançando um aumento de 65,9%. ELETROBRÁS (2015)

 Visando a diminuição desses gastos, já vem sendo testada a substituição das lâmpadas de vapor de sódio, comumente utilizadas, por lâmpadas de diodo emissor de luz (LED). Essas lâmpadas possuem um brilho maior e são mais potentes do que as usualmente empregadas, possibilitando um maior espaçamento entre os postes. O que se nota também é que a vida útil dessas lâmpadas é muito maior do que as de vapor de sódio.

 Para uma diminuição de gastos energéticos ainda maior, propõe-se um modelo de iluminação cuja fonte de energia seja proveniente de painéis fotovoltaicos. Apesar das normas brasileiras ainda não englobarem todos os as especificidades desses sistemas, já existe um grande esforço da Associação Brasileira de Normas Técnicas, das distribuidoras de energia e, principalmente, do meio acadêmico para que essa barreira seja vencida. É nesse aspecto que esse trabalho visa contribuir para a propagação dessa tecnologia no país.

Objetivos

O principal objetivo do trabalho é propor um modelo com uso de energia fotovoltaica na iluminação do estacionamento do prédio de aula AT7 da Universidade Federal de São Carlos.

Para atingir isso, foram estabelecidos os seguintes objetivos específicos:

• Estudar um modelo com lâmpadas LED alimentadas por placas fotovoltaicas;

• Verificar o custo da implantação do novo modelo, o aumento da eficiência energética e a potencial diminuição dos gastos com energia elétrica;

• Analisar a viabilidade do modelo estudado.

Revisão Bibliográfica

O Sol é a estrela central do sistema solar e se distancia em cerca 149,598 milhões de quilômetros da Terra. Essa distância é a que define uma grandeza conhecida como unidade astronômica. A energia do Sol transmitida para a Terra 

A energia proveniente do calor e da luz do Sol é conhecida como energia solar em que 34% dessa energia é difundida pelos gases e poeira da atmosfera e 19% é absorvida pelas camadas atmosféricas. O restante chega ao nosso planeta e é absorvido na forma de calor.

A climatologia e localização geográfica brasileira permite que o país recebe cerca de 1500kWh por metro quadrado. Em 2014 em todo o globo, foram contabilizados 180GW (Gigawatts) de geração de energia solar. O Ministério de Minas e Energia (2014) estima que em 2018 o Brasil esteja entre os 20 países com maior geração de energia solar no mundo. Por outro lado, segundo o Solar Power Europe (2015) apenas 0,008% da matriz energética brasileira é proveniente de energia solar fotovoltaica.

Energia solar

Foi na década de 70 que se percebeu que o petróleo não era um bem-renovável. A descoberta de que no futuro esse recurso natural poderia se esgotar fez com que os preços dos barris de petróleo disparassem. Esse acontecimento iniciou o que ficou conhecido na história como crise do petróleo. Essa mesma crise foi a responsável inicial por estimular a busca por fontes de energia alternativa em todo o mundo. Nas décadas seguintes, a energia hidráulica, os biocombustíveis, a energia eólica e a energia solar fotovoltaica foram tomando espaço como fontes energéticas. 

O Brasil possui um enorme potencial para geração de energia solar. A única desvantagem desse tipo de energia é o desembolso inicial que muitas vezes inibe os usuários na troca do sistema atual.

Sistema fotovoltaico

Energia solar fotovoltaica é aquela cuja energia obtida provém da conversão da luz do Sol em eletricidade. Esses sistemas diferem dos sistemas solares térmicos, geralmente empregados no aquecimento de água. Energia solar fotovoltaica é aquela cuja energia obtida provém da conversão da luz do Sol em eletricidade. Esses sistemas diferem dos sistemas solares térmicos, geralmente empregados no aquecimento de água. Energia solar fotovoltaica é aquela cuja energia obtida provém da conversão da luz do Sol em eletricidade. Esses sistemas diferem dos sistemas solares térmicos, geralmente empregados no aquecimento de água. O principal componente para que essa conversão seja realizada é a célula fotovoltaica. A maioria dessas células são compostas por Silício (Si) – um material semicondutor cujas substâncias são apropriadas para que ocorra o efeito fotovoltaico. Essas células são compostas por monocristais, cristais policristalinos ou silicone amorfo. (VILLALVA; GAZOLI, 2012)

Células fotovoltaicas monocristalinas são feitas através de um processo que se inicia com a orientação definida de um núcleo de cristal de silício de alta pureza. Esse processamento aumenta a eficiência das células de 15% a 18%. A única desvantagem é que a matéria prima para alcançar esse estado de pureza possui valor bastante alto. (Costa et al., 2009)

As células policristalinas são produzidas através da mistura de várias lâminas de cristais de silício. Como esse processo requere uma preparação menos rigorosa, o valor final é bem mais baixo que as células monocristalinas. Por outro lado, a eficiência dessas células é inferior. As células policristalinas são produzidas através da mistura de várias lâminas de cristais de silício. Como esse processo requere uma preparação menos rigorosa, o valor final é bem mais baixo que as células monocristalinas. Por outro lado, a eficiência dessas células é inferior. As de silício amorfo diferem de outras estruturas cristalinas. Sua estrutura atômica possui As células policristalinas são produzidas através da mistura de várias lâminas de cristais de silício. Como esse processo requere uma preparação menos rigorosa, o valor final é bem mais baixo que as células monocristalinas. Por outro lado, a eficiência dessas células é inferior. As células policristalinas são produzidas através da mistura de várias lâminas de cristais de silício. Como esse processo requere uma preparação menos rigorosa, o valor final é bem mais baixo que as células monocristalinas. Por outro lado, a eficiência dessas células é inferior. As de silício amorfo diferem de outras estruturas cristalinas. Sua estrutura atômica possui um alto grau de desordem O uso do silício amorfo possui muitas vantagens, principalmente por suas propriedades elétricas. Mas como todo as opções também possui algumas desvantagens, entre elas a baixa eficiência na conversão e deterioração nos primeiros meses de uso das células. (COSTA et al., 2009)

Tipos de Sistema

Existem alguns tipos de sistemas para sistemas fotovoltaicos, cada um possuindo suas vantagens e melhores aplicabilidades para um caso ou outro.

Sistema autônomos 

Também são conhecidos como “Off-grid systems”. Esses sistemas caracterizam-se por não se conectarem à rede de energia elétrica. Os sistemas autônomos são compostos por painéis fotovoltaicos – responsáveis por captar a energia solar -, controladores de cargas que gerenciam as cargas e descargas das baterias além dispositivos de proteção do sistema. (VillalvaGazoli, 2012)

Os sistemas autônomos são totalmente independentes da rede e dessa maneira não necessitam quadros de conexão, fios e disjuntores. São muito vantajosos para locais remotos como fazendas e comunidades isoladas em que os custos com energia elétrica da rede pública podem ser mais elevados devido às distâncias de transmissão. (VillalvaGazoli, 2012)

Sistemas autônomos
Sistemas autônomosAgropower (2016)

Sistemas híbridos  

Esses sistemas que também são conhecidos como “grid-tie” funcionam com energia proveniente da luz solar e também com uma segunda fonte de energia. A segunda fonte não necessariamente precisa ser da rede pública – é possível utilizar geradores à diesel ou eólicos – e funciona como uma forma de “backup” para o sistema. Possuem todos os componentes dos sistemas autônomos, porém também contam um controlador responsável por gerenciar a energia proveniente das duas fontes. A segunda fonte de energia só é utilizada quando a energia fotovoltaica não estiver disponível. (VillalvaGazoli, 2012)

Sistemas híbridos (grid-tie)
Sistemas híbridos (grid-tie)Agropower (2016)

Componentes
Banco de baterias

O banco de baterias é o sistema de armazenamento de energia utilizado nos sistemas fotovoltaicos para permitir a utilização da energia durante a noite. Enquanto o agrupamento em série fornece maior tensões maiores, o agrupamento em paralelo fornece maior corrente elétrica com a mesma tensão. (VillalvaGazoli, 2012).

A capacidade e vida útil dessas baterias dependem de diversos fatores como processos de carga e descarga, a manutenção e a temperatura. De todos os fatores, o processo de carga e descarga é o que mais diminui a vida útil da uma bateria. A capacidade e vida útil dessas baterias dependem de diversos fatores como processos de carga e descarga, a manutenção e a temperatura. De todos os fatores, o processo de carga e descarga é o que mais diminui a vida útil da uma bateria. Além disso, Além disso, os sistemas fotovoltaicos são expostos a ciclos irregulares com sobrecarregamento em dias muito ensolarados e grande descarga em dias nublados. Essa irregularidade pode contribuir na diminuição da vida útil do banco de baterias. (VILLALVA; GAZOLI, 2012)

Para uma aplicação num sistema de iluminação no Brasil, Costa et al. (2009) recomenda baterias seladas por grande disponibilidade no mercado nacional. Esse tipo de bateria não requer manutenção e também não libera produtos nocivos.

Seguidor de potência máxima

Para sistemas isolados, também é essencial a utilização do seguidor de potência máxima (MPPT). O MPPT consiste num conversor DC/DC que ajusta a tensão de saída do módulo. Dessa maneira, a tensão será ajustada de maneira que se processe sempre no ponto correspondente à potência máxima. A literatura afirma que sistemas que seguem a potência máxima possuem 95% de rendimento.   (Castro, 2002)

Iluminação pública

Essencial à qualidade de vida, a iluminação pública é o principal fator que permitiu a população continuar praticando suas atividades externas depois do por-do-sol. É a iluminação pública a responsável pelo embelezamento das cidades e pelo lazer noturno.

A iluminação pública é primordial para o bem-estar da população. É devido a ela que seus usuários podem desfrutar do espaço público em além do período em que o sol radia. A NBR (Norma Brasileira) 5101:2012, cita uma série benefícios sociais e econômicos dos projetos de iluminação pública como a facilidade do tráfego, o aumento da sensação de segurança bem como o auxílio à proteção policial, a redução de acidentes no período noturno, a melhoria nas condições de vida e a eficiência energética. Além desses fatores, a iluminação também serve como instrumento de embelezamento dos espaços, valorizando a fachada de edifícios e a arquitetura dos centros urbanos.

Esses aspectos levam a iluminação pública a ser amplamente discutida em todo o país. Além disso, outros assuntos também têm motivado essa discussão como os avanços tecnológicos dos materiais, mudanças na legislação e até a mudança dos objetivos do serviço de iluminação.

Eficiência energética na iluminação

De acordo com o US Report of the National Policy Development Group (2001), eficiência energética é a habilidade de utilizar menos energia para produzir a mesma quantidade de trabalho ou serviços. Ainda segundo o US Report of the National Policy Development Group (2001), a conservação se relaciona simplesmente à redução do consumo de energia. Para um planejamento de consumo de energia eficaz, é importante combinação esses dois fatores: conservação e eficiência energética. É dessa maneira que se reduzem o consumo e custos com energia nas residências e indústrias assim como se previne a volatilidade do preço da energia.

O uso racional de energia é uma das maneiras de maximizar os investimentos realizados nos sistemas de energia elétrica e diminui tanto os gastos do governo quanto o custo para o consumidor final. Porém esses benefícios não se restringem apenas ao âmbito econômico. A conservação de energia também auxilia na redução dos impactos ambientais, principalmente ao promover a preservação da água. Grande parte da energia elétrica gerada no Brasil é proveniente de usinas hidrelétricas e a redução do consumo auxilia no manejo do ciclo hidrológico.

Embora as crises de petróleo de 1973 e de 1979 fizessem que as primeiras iniciativas de conservação de energia surgissem, foi só na década de 90 que a eficiência energética começou a ser realmente debatida. Após a Conferência das Nações Unidas sobre o Meio Ambiente e Desenvolvimento, as discussões sobre a emissão de gases causadores do efeito estufa se intensificam cada vez mais.   (Menkes, 2004)

Ainda segundo Menkes (2004), surgiram posteriormente instituições com programas para aumentar a eficiência energética em diversos setores ao redor do mundo. Também foram criados programas de eficiência em empresas concessionárias com objetivo de diminuir o gasto de energia.

O resultado das medidas de racionalização do consumo e aumento de eficiência energética pode ser observado na figura 1. As projeções indicam que nos países da OCDE (Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico) o uso de energia atualmente poderiam ser 48% maior.

Ganhos de eficiência nos países da OCDE
Ganhos de eficiência nos países da OCDEWEO2005 (2005)

O fornecimento de energia mais barata e utilização de estratégias de redução de consumo é bastante eficaz. A conservação de energia auxilia na diminuição de subsídios governamentais para a produção de energia além de mitigar os impactos ambientais locais e globais. (GoldembergLucon, 2007)

Componentes dos sistemas de iluminação

O sistema de iluminação pública é composto pelos postes, reatores, luminárias, lâmpadas e equipamentos auxiliares. Nos últimos anos, tem-se investido na reestruturação luminotécnica visando a redução no consumo de energia elétrica.

Uma das mudanças trazidas é a substituição das luminárias com lâmpadas de vapor de sódio ou mercúrio para as luminárias LED. A outra mudança é a utilização de postes com placas solares. O texto seguinte busca explorar um pouco dos sistemas de iluminação pública bem como apresentar as novas tecnologias citadas.

Lâmpadas

Segundo Castro e Luciano (2012), com adaptações, dependendo da importância, tipo e volume de tráfego noturno da via são recomendados valores médios mínimos que variam de 2 a 20 lux, para o nível de iluminância, e de 0,2 a 0,5 para o fator de uniformidade.

Em relação aos tipos de lâmpadas, as mais utilizadas em iluminação pública são consideradas lâmpadas de descarga de alta pressão. Esses tipos de lâmpada, diferentemente das lâmpadas incandescentes e fluorescentes tem um poder de iluminação maior e são ideais para grandes áreas. Alguns exemplos de lâmpadas de descarga de alta pressão são: lâmpada a vapor de mercúrio, lâmpada a vapor de sódio (HPS) e lâmpada de metal haloide. Existe também a necessidade de um lastro que permita sua partida e comportamento de estado estacionário. (Costa et al., 2009) 

Lâmpada incandescente

As lâmpadas incandescentes foram bastante comuns nos últimos anos. Nessa tecnologia, a luz é produzida através do aquecimento do filamento de tungstênio pela corrente elétrica. No interior da lâmpada, há presença de um gás inerte, geralmente argônio, que permite que o filamento não queime tão precocemente. (Companhia Paranaense de Energia, 2012).

Esse tipo de lâmpada foi amplamente utilizado em residências, mas pouco aplicado em iluminação pública pois possui baixa vida útil e eficiência luminosa para esses sistemas. A utilização dessas lâmpadas vem sendo diminuída devido às Portarias Interministeriais No 1.007, de 31 de dezembro de 2010 e de 31 de dezembro de 2012, do Ministério de Minas e Energia (MME) que encerram a fabricação e importação das lâmpadas incandescentes a partir de 60W até 2017.

Lâmpada a vapor de mercúrio em alta pressão 

A lâmpada de mercúrio de alta pressão faz parte do grupo de lâmpadas de descarga. Esse conjunto de lâmpadas possui como característica principal a condução de corrente elétrica num meio gasoso.  A lâmpada de mercúrio de alta pressão faz parte do grupo de lâmpadas de descarga. Esse conjunto de lâmpadas possui como característica principal a condução de corrente elétrica num meio gasoso.  Por muitas décadas, utilizou-se exclusivamente as lâmpadas de vapor de mercúrio na iluminação pública. Apesar de possuir uma longa duração e custo menor em relação a outras lâmpadas, seu índice de restituição de cores é muito baixo. (Companhia Paranaense de Energia, 2012).

Lâmpada a vapor de sódio em alta pressão 

Segundo a Companhia Paranaense de Energia (2012), as lâmpadas de vapor de sódio têm sido amplamente utilizadas na iluminação pública no decorrer das últimas décadas. A sua diferença em relação às lâmpadas de vapor de mercúrio é que possuem uma proporção de radiação visível maior. O fato de possuir uma coloração alaranjada também se torna mais agradável à visão humana. 

Apesar de possuírem um valor um pouco mais elevado que as lâmpadas de vapor de mercúrio, o alto rendimento dessas lâmpadas faz que que sejam um melhor investimento.

Lâmpada fluorescente 

Esse tipo de lâmpada possui tubo de vidro revestido por fósforo e funciona através da excitação de gases por aplicação de campo magnético. No uso residencial, as lâmpadas fluorescentes são uma melhor alternativa quando comparadas com as lâmpadas incandescentes. A significativa economia em energia elétrica faz compensar a diferença desta lâmpada em relação à incandescente. A sua grande eficácia como fonte de luz artificial também é um fator positivo dessa tecnologia. Por outro lado, o seu custo elevado e as baixas potências disponíveis – que estão em torno de 200W – fazem com que sua aplicação na iluminação pública se torne inviável. (COPEL, 2012)

LED 

Um tipo de lâmpada que foi apresentado como alternativa vantajosa na utilização em sistemas de iluminação pública é o diodo emissor de luz, comumente conhecido com LED (do inglês Light Emitting Diode). Segundo um fabricante (PHILIPS, 2006), o tempo de vida dessas lâmpadas pode chegar a 100,000 horas – o equivalente a mais de 11 anos. 

As vantagens da utilização de lâmpadas de LED também incluem o fornecimento de corrente contínua que dispensa o uso de inversor, o que aumenta a eficiência do circuito e diminui o custo total do sistema. (COPEL, 2012)

Análise econômico-financeira

Qualquer investimento busca obter retorno lucrativo e sustentável. Para que o lucro exista, é necessário que o valor investido seja menor que o retorno. Nos investimentos também deve se considerar indicadores que verifiquem os riscos envolvidos em cada projeto. (Marquezan, 2006)

Para verificar se a proposta apresentada é economicamente viável, é necessário realizar análises que avaliem se haverá benefícios econômicos do projeto. A análise econômico-financeira estima as perspectivas do desempenho financeiro do projeto e é fundamental na escolha do produto. Os dados de entrada são os valores obtidos na fase de orçamento e servem como estimativa para o valor do preço final. (Marquezan, 2006)

Existem diversos métodos empregados na avaliação de métodos econômico financeiro. Os mais tradicionais calculam indicadores tradicionais baseados em fluxos de caixas. Alguns métodos mais sofisticados simulam probabilidades e riscos inerentes ao projeto.

Os métodos mais comuns nas avaliações econômicas são o método da taxa de retorno, o método da relação custo-benefício, o método do tempo ou período de retorno e o método de avaliação da vida útil ou método do valor presente (MVP). Os indicadores financeiros do projeto sãos as previsões de retorno do investimento, taxa interna de retorno (TIR) e o fluxo de caixa esperado.

Também é importante ressaltar que a necessidade da revisão periódica do projeto ao longo do tempo com intuito de refinar melhor essa.

Fluxo de caixa

A essência da avaliação econômico-financeira é mensurar o retorno de um investimento em relação a outras alternativas. O primeiro passo dessa avaliação é elaborar o fluxo de caixas, ou seja, das entradas e saídas de dinheiro durante o ciclo de vida do projeto. O dimensionamento desses valores é o aspecto mais importante para a decisão entre o melhor investimento. A representatividade é extremamente dependente do rigor e da confiabilidade com que os fluxos de caixa foram estimados. (Assaf Neto, 1992).

O intervalo adotado depende do ciclo de duração do projeto. Após o cálculo desses valores, eles serão somados, obtendo-se um valor final do fluxo de dinheiro esperado.

Método do custo-benefício

O método do custo-benefício analisa os investimentos através da relação entre custos totais do investimento e os seus benefícios. Essa relação é traduzida posteriormente em valores anuais equivalentes. O objetivo desse método não é demonstrar valores quantitativos de dinheiro, mas a relação entre investimentos e economia de forma a facilitar a análise da viabilidade. A aplicação é vantajosa quanto o coeficiente obtido da relação entre investimento e benefícios é igual ou inferior a 1. (GouveiaSilvaSilveira, 2000)

A ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) adota o método da relação custo-benefício como critério para projetos de eficiência energética. Ela também adota o método da eficiência energética para avaliar os custos de implantação de um projeto em relação aos benefícios financeiros trazidos. Segundo a agência para um projeto ser viável do ponto de vista econômico, a relação deve possuir valor mínimo de 0,2 e máximo de 0,8. Nesses cálculos são consideradas as perdas de valor dos equipamentos no decorrer do tempo. (Agência Nacional de Energia Elétrica, 2008).

METODOLOGIA

A metodologia será dada através das etapas do diagrama da figura seguinte.

Etapas do projetoEtapas do projetoPrópria

A etapa de estudo e caracterização do local do projeto tem como objetivo detalhar os dados meteorológicos com o perfil climático do local e obter uma estimativa bastante aproximada da demanda energética para a iluminação da quadra.

A última etapa será a apresentação da proposta junto com a análise da viabilidade do modelo proposto. Essa análise deverá possuir o custo total da implantação do projeto, a diminuição da energia elétrica consumida com o novo sistema e a estimativa da economia que ele pode proporcionar a longo prazo.

Desenvolvimento

Características geográficas

São Carlos está localizada no interior do estado de São Paulo e suas coordenadas limitantes são 47º30′ e 48º30′ na longitude oeste e 21º30′ e 22º30′ na latitude sul. 

Uma boa disponibilidade de radiação solar é essencial para a geração eficiente de energia pelo painéis fotovoltaicos. A cidade de São Carlos possui aproximadamente 5,44kWh/m²dia segundo dados mostrados pela figura seguinte.

Incidência solar global na Região Administrativa de São Carlos (Central) – São PauloIncidência solar global na Região Administrativa de São Carlos (Central) - São PauloSecretaria de Energia e Mineração – Governo do estado de São Paulo (2013)

O plano inicial era encontrar alguma área externa dentro do campus de São Carlos da UFSCar em que fosse possível propor um projeto de eficiência energética na iluminação. Dessa maneira, primeiramente pensou-se em estudar o entorno de algum prédio de aula e realizar uma proposta para a iluminação nessa quadra. Mais tarde, foi decidido estudar a iluminação de algum dos estacionamentos do campus devido à maior dimensão do sistema. Foi dessa maneira que se chegou a duas opções devido ao porte: o estacionamento do departamento de Computação da UFSCar e o estacionamento do prédio de aulas AT7. Pela proximidade e pela facilidade na obtenção dos dados foi escolhido o estacionamento do prédio AT7.

O estacionamento está localizado na área Norte do campus de São Carlos da UFSCar. As coordenadas obtidas para o estacionamento são 21º58’54,3”S e 47º52’43,6”W. Na figura abaixo é possível verificar que ele está entre o AT7-UFSCar e o Departamento de Engenharia Elétrica e Engenharia Mecânica. 

Salas de Aula AT7Salas de Aula AT7Google Maps (2017)

A parte do estacionamento com maior quantidade de vagas possui entrada pela Rua dos Falcões. A parte menor do estacionamento fica em frente ao departamento de Engenharia Elétrica e Engenharia Mecânica e entrada pela Rua dos Bem-te-vis.

O CRESESB (Centro de Referência para energia solar e eólica Sérgio Brito) ainda define a irradiação solar para essa região tanto no plano horizontal quanto no plano inclinado. Esses dados estão apresentados nos gráficos seguintes.

Irradiação Solar média
Irradiação Solar médiaCRESESB – Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito (2017)

Irradiação Solar no Plano Horizontal
Irradiação Solar no Plano HorizontalCRESESB – Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito (2017)

Irradiação Solar média mensalIrradiação Solar média mensalCRESESB – Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito (2017)

Irradiação solar no plano inclinadoIrradiação solar no plano inclinadoCRESESB – Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito (2017)

Pelo gráfico vê-se que no plano horizontal a irradiação é menor em grande do ano quando comparada a outras inclinações. A recomendação geral de ângulo para placas fotovoltaicas é de que ele seja de mesmo valor que a latitude do local. Conforme observado, com o ângulo igual a latitude é obtida uma curva muito similar a de maior média anual.

Consumo de energia

Para iniciar a análise do projeto precisa-se estudar a área atendida e o seu sistema atual. O sistema de iluminação do estacionamento possui três circuitos sendo que o primeiro possui 16 luminárias, o segundo possui 13 luminárias e o terceiro possui 8 luminárias. No total, são 37 lâmpadas com potências de 150W para cada uma. O quadro abaixo apresenta as cargas no projeto do estacionamento.

Cargas do projeto de iluminação do AT7
Cargas do projeto de iluminação do AT7DiEET – Divisão de Engenharia Elétrica e Telecomunicações

Os dados de tensões, correntes, demandas máximas e consumo de cada um dos circuitos foram obtidos através de medição no local com um medidor universal de grandezas elétricas do modelo MARH-21 e marca RMS,. A imagem a seguir mostra o aparelho utilizado nas medições.

Medidor universal de grandezas elétricas
Medidor universal de grandezas elétricasAntonio Frederico Comin (2017)

 Os valores resultantes estão apresentados na tabela a seguir.

Medições no circuito de iluminação
Medições no circuito de iluminaçãoDiEET – Divisão de Engenharia Elétrica e Comunicações (2016)

Além disso, a tensão média para todo o sistema de iluminação encontrada pelo aparelho é de 5,478kW. Todos esses dados podem ser verificados com maior detalhamento no Anexo C deste trabalho.

Com o intuito de obter valores do consumo e do custo de energia elétrica mais preciso, optou-se por calcular a duração da noite para cada um dos meses em vez de apenas adotar 12 horas para todos os casos. Dessa maneira, tem-se valores com noites mais curtas no verão e noites mais longas no inverno.

Para estimar o nascer e ocaso do sol para o ano vigente, foram utilizados dados fornecidos pelo Astronomical Applications Department – um dos departamentos do  U.S. Naval Observatory. As informações completas são apresentadas no Anexo B.

Com o valor exato para cada horário de nascer do sol e por do sol para cada dia de 2017, calculou-se a média desses horários e da duração das noites. A noite mais curta é a de dezembro com 10 horas e 32 minutos e a mais longa é de junho com 13 horas e 11 minutos. 

Duração da noite mensalDuração da noite mensalAdaptado de U.S. Naval Observatory (2017)

Resultados e Discussões

Cálculo do custo de energia elétrica

O consumo em kWh foi calculado com base na duração média dos períodos noturnos para cada mês. Os custos da energia elétrica são calculados com base nas tarifas da CPFL Paulista. Por ser um projeto de iluminação pública, a tarifa é enquadrada na categoria B4. O subgrupo B4 ainda se divide em duas categorias: B4a e B4b. A tarifa B4a é aplicada quando os serviços de operação e manutenção são de responsabilidade do município. Sua tarifa representa apenas o consumo de energia do sistema de iluminação pública.

Quando a concessionária presta o serviço de iluminação pública no município, a tarifa é acrescida de uma parcela relacionada ao custeio de operação e manutenção do sistema e, segundo a Resolução 414/2010 da ANEEL, a tarifa aplicada é a B4b.

No caso estudado, será considerada a tarifa B4a, ou seja, que os gastos de manutenção e operação não são cobertos pela concessionária.

Tarifas de energia elétricaTarifas de energia elétricaCPFL Energia (2017)

Além de se considerar a modalidade tarifárias, é necessário definir a bandeira tarifária do mês vigente. O sistema de bandeiras tarifárias foi definido pela ANEEL, na Resolução Normativa nº. 547/13, que entrou em vigor em janeiro de 2015. As bandeiras verde, amarela e vermelha indicam se a energia custará mais ou menos, em função das condições de geração de eletricidade. O sistema possui três classificações de bandeiras: verde, amarela e vermelha. O acionamento de cada bandeira tarifária é sinalizado mensalmente pela ANEEL conforme a capacidade de geração de energia elétrica do país.

A bandeira verde não apresenta valor adicional na conta de luz e é aplicada em condições favoráveis de geração de energia no país, ou seja, quando as hidrelétricas operam normalmente. A bandeira amarela é aplicada em condições em que além da hidrelétricas as usinas térmicas precisam ser ativadas e acrescenta o valor de R$0,020 para cada 1kWh consumido. A bandeira vermelha possui dois valores aplicados em situações críticas, divididos conforme abaixo

• Patamar 1: Acréscimo de R$ 0,030 para cada 1 quilowatt-hora (kWh) consumido;

• Patamar 2: Acréscimo de R$ 0,045 para cada 1 quilowatt-hora (kWh) consumido.

Abaixo também observa-se o histórico de bandeiras tarifárias praticadas. Nos últimos 12 meses, a bandeira tarifária foi amarela durante 3 meses.

Bandeiras tarifáriasBandeiras tarifáriasCPFL Energia (2017)

Para fins de cálculo, será considerado 3 meses com bandeira amarela e o restante do ano com bandeira tarifária verde.

Cálculo da tarifa final
Cálculo da tarifa finalPrópria

O consumo foi calculado com base nos valores apresentados no desenvolvimento do presente trabalho.

Custo mensal final
Custo mensal finalPrópria

Conforme o esperado, o custo final com eletricidade nos meses dos verão é menor do que no inverno. O total de gasto com energia elétrica do sistema atual, para o ano de 2017, é de R$7715,30.

Orçamento do projeto

Dados os requisitos necessários para projeto, foram encontradas três empresas atualmente no mercado que oferecem luminárias integradas com placas fotovoltaicas

Luminária Solar integrada para postes – EcoForce

É alimentada por painel solar com LED de 20W que carrega a bateria interna durante o dia. O sensor de presença detecta movimentos em até 4 metros de distância.

Ao escurecer, funciona com 50% de sua luminosidade máxima nas primeiras 5 horas e com 25% de sua luminosidade no restante da noite. Quando seu sensor de presença é acionado, a luminosidade retorna aos 100%. A iluminação é feita por lâmpadas LED que possuem iluminação equivalente às lâmpadas comuns de 150W.

Especificações técnicasEspecificações técnicasEcoforce (2016)

Luminária solarLuminária solarEcoforce (2016)

Luminária solarLuminária solarEcoforce (2016)

O valor para cada uma das luminárias dado pelo fornecedor é R$1402,01.

Luminária Solar LED – Nowak

Também é alimentada por painel solar com LED de 20W que carrega a bateria interna durante o dia.

Painel fotovoltaicoPainel fotovoltaicoNOWAK Comércio de Máquinas e Equipamentos Ltda (2016)

Painel fotovoltaicoPainel fotovoltaicoNOWAK Comércio de Máquinas e Equipamentos Ltda (2016)

O valor para cada uma das luminárias dado pelo fornecedor é R$2725,00 e os dados técnicos são apresentados a seguir.

Informações TécnicasInformações TécnicasNOWAK Comércio de Máquinas e Equipamentos Ltda (2016)

Poste Solar fotovoltaico LED – NeoSolar

Possui painel solar com iluminação feita por lâmpadas LED de 24W de alta eficiência e possui baterias de longa duração com vida útil de até 5 anos.

Seus componentes são:

  • 1 módulo fotovoltaico 140 Wp;
  • 1 controlador de iluminação 20A/12-24V;
  • 1 bateria Freedom 165Ah/12V;
  • 1 luminária LED 24W/12V;
  • 1 poste altura 5m, 1 braço p/luminária;
  • caixa de bateria, suporte, cabos, conj. chumbadores.

Poste Solar fotovoltaicoPoste Solar fotovoltaicoNeoSolar Energia (2016)

O valor para cada uma das luminárias dado pelo fornecedor é R$6690,00.

Análise econômico financeira

A relação custo-benefício aplicada para esse projeto é calculada com a taxa de desconto estabelecida pela ANEEL como a mínima, ou seja, 8%a.a. A vida útil das luminárias integradas é de 25 anos. O fator de recuperação de crédito (FRC) é calculado da seguinte forma:

Cálculo do FRC
Cálculo do FRCMarini (2001)

O valor resultante do FCR é 0,094. Os custos anualizados dos equipamentos de cada uma das marcas (CA) são logo a seguir. Como o produto oferecido pelas marcas Ecoforce e Nowak não fornecem os postes metálicos, os valores de novos postes foram estimados pela SINAPI de fevereiro de 2017. 

Como a SINAPI não fornece dados relativos ao tipo de bateria necessária para esse projeto, calculou-se o valor médio das baterias fornecidas por alguns dos principais fabricantes. Foi o valor utilizado na confecção da tabela com custos diretos do projeto.

Valores das baterias
Valores das bateriasAdaptado de NeoSolar (2017), GetPower (2017) e UniPower (2017)

Custos diretos
Custos diretosAdaptado de EcoForce (2017), NeoSolar (2017), Nowak (2017) e SINAPI (2017)

A relação custo-benefício (RCB) de cada um dos modelos é dada na tabela a seguir. Esse fator é calculado pela divisão dos custos anualizados pelas economias em relação ao sistema anterior. 

Valor da relação custo-benefício
Valor da relação custo-benefícioPrópria

Como a RCB acabou ficando com valores maiores que 1 (Custo anualizado do novo sistema maior do que as economias geradas), decidiu-se realizar uma simulação com gastos apenas com as luminárias solares e aproveitamento dos postes atuais do estacionamento. Como o produto oferecido pela empresa NeoSolar consiste no poste e não apenas na luminária, seus valores não foram incluídos nesses cálculos.

Custos diretos
Custos diretosAdaptado de EcoForce (2017) e Nowak (2017)

O RCB calculado para essa situação é apresentado abaixo.

Valor da relação custo-benefício
Valor da relação custo-benefícioPrópria

O valor obtido do RCB para a empresa Ecoforce é muito próximo de 1. Isso significa que o investimento com o sistema distribuído ao longo dos anos é ligeiramente maior que a economia obtida.

É de extrema importância frisar que os valores acima correspondem apenas aos custo diretos. Para um orçamento final antes da decisão entre investir ou não nesse sistema, é necessário ainda considerar outros insumos como mão-de-obra para instalação das luminárias, manutenção do sistema e gastos com transporte das peças até o local.

A título de conhecimento pesquisou-se ainda por orçamentos de luminárias LED para iluminação pública com fluxo luminoso semelhante aos das lâmpadas atuais de vapor de sódio do sistema. Conforme apresentado aqui, o orçamento mínimo com luminárias integradas totalizou R$86807,70. Ao considerar o custo de lâmpadas sem as placas fotovoltaicas integradas nas próprias luminárias, abre-se espaço para um futuro estudo com luminárias LED alimentadas por uma placa fotovoltaica central. 

Custo de luminárias LED para iluminação pública
Custo de luminárias LED para iluminação públicaAdaptado de Embralumi (2017)

É possível que ao considerar essa hipótese o custo final seja mais baixo com a vantagem de ainda se utilizar energia solar fotovoltaica para resolver a iluminação do estacionamento.

Considerações finais

Pela análise da climatologia de São Carlos e das condições do local estudado é possível a utilização de um sistema fotovoltaico autônomo como alternativa ao sistema de iluminação atual. Porém do ponto de vista financeiro, o sistema só é viável se os postes de iluminação do sistema atual puderem ser reaproveitados.

Durante a execução da pesquisa, percebeu-se que sistemas com placas fotovoltaicas tem aplicação bastante limitada com os preços praticados no mercado brasileiro. Apenas em alguns casos de baixa potência essas aplicações são viáveis e seus valores são competitivos.

Porém há uma expectativa de que pelo desenvolvimento crescente da tecnologia de energia solar exista custos mais baixos no futuro. Além disso, por se tratar de uma obra nas dependências na universidade é bastante possível que existam políticas de incentivo para aumentar a viabilidade do sistema. Também dado o tamanho do sistema, que exige a colocação de 37 luminárias nos postes, existem grandes chances de haver reduções dos custos por parte dos fabricantes.

Ademais, a realização de projetos de eficiência energética contribui para a boa imagem da universidade junto à comunidade.

Donaire (1995) ainda afirma que as instituições são vistas como organizações sociopolíticas e precisam ter a preocupação com fatores políticos, sociais e ambientais nas suas atividades. Se essa preocupação não existisse, provavelmente a ANEEL não teria empregado tantos esforços nos últimos anos no seu programa de eficiência energética e estimulando o desenvolvimento de novas tecnologias.

Por essas razões é fundamental que exista uma análise holística nos projetos e não um entendimento puramente financeiro. Para que isso aconteça, é necessária a divulgação dos resultados e benefícios de novos projetos de eficiência energética para demonstrar que apesar do alto investimento inicial, seus resultados têm duração de longo prazo.

ANEXO A — Planta de estacionamento do prédio de aulas AT7

ANEXO B — Tabela do nascer e ocaso do Sol

ANEXO C — Medição da Iluminação do Estacionamento do AT7

feito

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