Mitigação dos Efeitos das Mudanças Climáticas: Substituição Gradual de Termelétricas a Carvão por Usinas Fotovoltaicas

a Revista Brasileira de Meteorologia v 35 n 3 415424 2020 rbmetorgbr g DOI httpdxdoiorg10159001027786353006 Artigo Mitigacao dos Efeitos das Mudangas Climaticas a partir da Substituigao Gradual de Termelétricas a Carvao por Usinas Fotovoltaicas Larissa Mendes Rodrigues Marcos Antonio Tavares Lira Miguel Leocadio de Sousa Neto Mestrado em Climatologia e Aplicacgées nos Paises da CPLP Universidade Estadual do Ceara Fortaleza CE Brasil Departamento de Engenharia Elétrica Universidade Federal do Piauti Teresina PI Brasil Recebido em 13 de Abril de 2020 Aceito em 1 de Junho de 2020 Resumo O presente trabalho foca na reducdo da emissao de gases de efeito estufa e do volume de agua captado no processo de geracdo de energia nas termelétricas que utilizam o carvao mineral e intensificam a crise hidrica em regides do semiari do brasileiro O estudo foi feito em uma das maiores usinas a carvao do Brasil a Energia Pecém situada no Porto do Pecém no Estado do Ceara selecionandose a unidade Pecém II Propdese o desligamento dessa unidade durante sete horas por dia a partir da operagao de uma usina fotovoltaica de grande porte instalada em areas classificadas como em processo de desertificagéo no estado especificamente no municipio de Irauguba com a mesma capacidade de geracao da termelétrica em questao Para isso foi desenvolvido um projeto preliminar de usina fotovoltaica cuja viabilidade técnica econdmica e ambiental foi avaliada Dessa forma estimase uma queda na emissao do didxido de carbono em torno de 3472056 toneladas por més e na captacao de 4gua uma reducao de 967 do seu volume mensal Palavraschave gases de efeito estufa energia elétrica captacao de agua Mitigation of the Effects of Climate Change from the Gradual Replacement of Coal Thermal Power Stations by Photovoltaic Plants Abstract This paper focuses on reducing the emission of greenhouse gases and the volume of water captured in the energy gene ration process in thermoelectric plants thar use mineral coal and intensify the water crisis in regions of the Brazilian semiarid The study was made in the largest coalfired power plant in Brazil Energia Pecém located in Porto do Pecém in the state of Ceara taking unit Pecém II Is is proposed to shut down this unit for seven hours a day from the operation of a large photovoltaic plant installed in areas classified as desert in the state specifically in the municipality of Irau cuba with the same generation as that thermoelectric plant For this a preliminar project of a photovoltaic plant was made whose technical economic and environmental feasibility was assessed Thus it is estimated a drop in carbono dioxide emission of around 3472056 tons per month and in water abstraction a reduction of 967 of its monthly volume Keywords greenhouse gases electricity water catchment 1 Introducao emissdo de gases tOxicos e poluentes IPCC 2013 Den tre esses gases poluentes os mais preocupantes séo os Segundo o Painel Intergovernamental sobre Mudan Gases do Efeito Estufa GEE que possuem uma grande cas do Clima IPCC as mudangas climaticas vém sendo capacidade de reter a radiacao terrestre e solar Oliveira aceleradas pelas atividades humanas as quais aumentam a 2009 Nascimento 2016 Drumm 2014 Autor de correspondéncia Miguel Leocadio de Sousa Neto miguelufpiedubr A seca prolongada em alguns estados da região nor deste do Brasil é um dos impactos das mudanças climáti cas que afeta o volume dos reservatórios locais que atendem o abastecimento humano as indústrias a irriga ção e algumas fontes de geração de energia As atividades antrópicas têm aumentado a concentração de GEE ao lon go das últimas décadas e no Brasil a maior parte das emissões é oriunda de setores ligados à geração de energia elétrica Tilio Neto 2010 A geração hidráulica da região Nordeste no ano de 2017 teve um recuo de 70 da potên cia fornecida em relação à potência máxima registrada no período de 2000 a 2017 ONS 2017 Para suprir a de manda de energia em caráter emergencial entraram em operação muitas termelétricas que além de utilizar em sua maioria combustíveis poluentes demandam grandes volumes de água em seu processo de geração de energia elétrica Assim com a operação das termelétricas além do aumento da emissão de GEE a situação hídrica se agravou em alguns estados em particular no Ceará Existe uma contradição alarmante no contexto hídri co e ambiental do Ceará a região possui mais de 80 do seu território no semiárido e em situação crítica devido a uma seca prolongada desde 2012 Paralelamente o estado se destaca por possuir umas das maiores e mais poluentes usinas a carvão do Brasil a Energia Pecém Pecém I de 72027 MW e Pecém II com 365 MW Conforme dados do IEMA Instituto de Energia e Meio Ambiente a cap tação de água realizada por essas termelétricas localizada no porto do Pecém a 60 km da capital cearense é da ordem de 2058 m3hora para Pecém I e 104025 m3hora para Pecém II IEMA 2015 É necessário buscar outras fontes de energia limpa e renovável que substituam fontes de energia que utilizam combustíveis fósseis e o Ceará possui grande potencial eólico e solar O presente trabalho buscou uma forma de reduzir as emissões dos GEE sem deixar de atender a demanda de energia necessária para a sociedade A solução proposta para essa problemática foi a instalação de usinas foto voltaicas de grande porte em áreas classificadas como em processo de desertificação no município de Irauçuba loca lizado no Ceará com o objetivo de suprir a demanda de energia da termelétrica Pecém II e desligalá de forma parcial no período de operação da usina fotovoltaica As áreas brasileiras mais vulneráveis às mudanças climáticas compreendem a Amazônia e o Nordeste Gui marães et al 2016 Além disso o nordeste brasileiro é considerado vulnerável pelo fato de que as condições de aumento da temperatura e mudanças na precipitação podem transformar algumas áreas do território em regiões áridas e por se tratar da região semiárida mais povoada do mundo Nóbrega 2016 Na busca pela redução de emissão dos GEE é ne cessário estruturar a política da energia e do clima que contemple o trajeto econômico de cada país Para qualquer ação que se decida tomar o IPCC conclui que todos os cenários de estabilização climática indicam que boa parte da redução das emissões proverá de fontes de energia de seu uso e de processos industriais com a eficiência ener gética exercendo um papel chave em muitos cenários Desse modo dentro das três dimensões do desenvol vimento sustentável ambiental econômica e social a problemática energética apresenta grandes dificuldades pois é necessária uma evolução dos modelos que deman dem um consumo energético reduzido com mais fontes renováveis e limpas na matriz elétrica e com mais in vestimentos nesse segmento É essencial que as mudanças climáticas sejam integradas às políticas ambientais e de desenvolvimento de modo que ações governamentais aju dem a enfrentar esse problema avaliando a vulnerabili dade regional e nacional Conhecendo os elementos das mudanças climáticas e seus impactos ao longo da história sabemos que serão mais severas em regiões vulneráveis como é o caso do se miárido nordestino que continua sendo afetado drastica mente com uma escassa estação chuvosa um clima mais quente um aumento das áreas em processo de desertifica ção podendo alcançar situações irreversíveis Nesse con texto o presente trabalho objetiva contribuir na aplicação de medidas para desacelerar as mudanças climáticas vol tadas para a redução do tempo de operação de termelé tricas combatendo também o alto consumo de água no processo de geração de energia 2 Materiais e Métodos Foi realizado um estudo de caso no Complexo Porto do Pecém especificamente para a unidade termelétrica Pecém II de 365 MW A solução apresentada no projeto é o desligamento parcial da Pecém II a partir da operação de uma grande usina fotovoltaica conectada diretamente à rede elétrica para suprir a demanda energética de Pecém II durante o período de insolação Na pesquisa foi escolhido o município de Irauçuba no Ceará pelo fato de possuir extensas áreas ideais para o empreendimento ter boa irra diação solar e por ser estrategicamente próximo a uma linha de transmisão para a conexão elétrica com o sistema de potência Após a delimitação do tema foi realizado um plane jamento para execução da pesquisa que incluiu revisão bibliográfica coleta de dados de potência e captação de água da unidade Pecém II verificar as linhas de financia mento existentes para a construção de usinas fotovoltai cas identificar as liberações junto à Superintendência Estadual do Meio Ambiente Semace e conhecer as grandezas meteorológicas características de Irauçuba para o projeto da usina fotovoltaica Na pesquisa foram adotadas as premissas afirmadas no âmbito científico e acadêmico o aquecimento global está se intensificando e impactando em todos os sistemas climáticos ameaçando o bem estar da sociedade e o meio 416 Mitigação dos Efeitos das Mudanças Climáticas a partir da Substituição Gradual de Termelétricas a Carvão por Usinas Fotovoltaicas ambiente Boa parte desse processo é atribuída às ativi dades antrópicas em vários setores porém limitouse o trabalho ao setor de geração de energia elétrica na busca da redução da emissão de GEE No campo da geração de energia elétrica foi reali zada uma visita técnica ao Complexo Porto do Pecém local de grandes plantas termelétricas da empresa Energia Pecém Também foi realizada uma visita técnica ao eixo de integração de Sítios Novos e o Sistema portuário do Pecém fonte de abastecimento de água do complexo por tuário do Pecém e da termelétrica da Energia Pecém Além das visitas técnicas foram coletados dados no sistema intranet da Chesf para obter dados de potência elétrica demandada por Pecém II de corrente de operação da Linha de Transmissão LT de interligação e estruturas georreferenciadas que identificassem a linha de transmis são que cruzava por Irauçuba A partir do histórico de medição da Chesf de Pecém II e da LT SBTPEDW1 du rante o ano de 2017 foi possível obter o valor de potência média demandada pela termelétrica o qual serviu de referência para o cálculo da capacidade instalada da usina fotovoltaica como também o carregamento da LT exis tente para interligação elétrica A informação do volume da captação de água da ter melétrica foi obtida a partir do histórico mensal do consu mo de água fornecido estritamente pela Companhia de Gestão de Recursos Hídricos Cogerh no ano de 2017 Tendo o conhecimento da quantidade de horas que a ter melétrica poderá ser desligada no dia calculouse a redu ção do volume de água mensal Para o projeto preliminar da usina fotovoltaica fez se necessário identificar as grandezas meteorológicas como radiação solar insolação temperatura ambiente do município de Irauçuba sendo necessário o acesso ao Atlas Solarimétrico do Ceará ao programa SunData disponi bilizado na página de internet do Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito CRESESB ao Atlas Brasileiro de Energia Solar e ao Atlas Solarimétrico do Brasil Foi preciso ainda delimitar a localização da usina fotovoltaica definir a inclinação dos módulos solares calcular as perdas do sistema definir o número total de módulos a capacidade instalada e tensão elétrica de fornecimento No dimensionamento do sistema foto voltaico e dos custos envolvidos por comparação com outras usinas fotovoltaicas já em operação verificouse que os resultados obtidos estavam coerentes para empre endimentos desse porte 3 Resultados e Discussão 31 Distribuição de frequência Com o desenvolvimento da pesquisa foi possível obter resultados de viabilidade técnica e econômica de um projeto preliminar de uma usina fotovoltaica em áreas sus ceptíveis a desertificação A Pecém II é situada em São Gonçalo do Amarante e foi verificada a viabilidade de instalação da usina fotovoltaica em Irauçuba ambos municípios localizados no estado do Ceará Foi priorizado na pesquisa destacar os ganhos ambientais com a aplica ção da respectiva proposta A partir de estudos realizados por pesquisadores das universidades e instituições estaduais sendo uma delas a Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos FUNCEME foi possível obter o zoneamento geoecoló gico na área do núcleo de desertificação de IrauçubaCen troNorte no Estado do Ceará Funceme 2015 onde foram mapeadas as áreas fortemente degradadas em pro cesso de desertificação intensificadas pelas mudanças cli máticas e atividades antrópicas Essas áreas são as zonas fortemente degradadas eou desertificadas ZFD configu radas em núcleos de expansão nos Sertões de Irauçuba caracterizadas por baixa diversidade biológica alta diver sidade ambiental baixo estado de conservação e alta vul nerabilidade à erosão Nesse mesmo município observou se que 2329 do seu território são ZFD o que correspon de a 34032 km2 Funceme 2015 A Fig 1 delimita a ZFD para o Núcleo de Desertificação de IrauçubaCentro Norte sendo possível verificar a extensa ZFD de cor la ranja existente no município de Irauçuba Na figura identificase a ZFD em Irauçuba que está próxima a uma rodovia asfaltada que cruza o município a BR222 Após definir a localização para a usina notouse que a localização seria ideal pois a LT SBTPEDW1 05V7 passa pelo respectivo terreno paralelamente à BR222 e que conecta eletricamente a subestação PED local de co nexão com a termelétrica Pecém II à subestação de SBT localizada no município de Sobral ambas da Chesf Para identificar as estruturas da respectiva LT que cruzam o município de Irauçuba foi necessário acessar por meio do software de manutenção da Chesf as coordenadas geográficas da LT através das quais foi possível visualizar no Google Earth a disposição das estruturas na área sele cionada Também é importante conhecer o carregamento elétrico da LT que apresenta a capacidade de condução dos cabos para verificar a possibilidade de aumentar a corrente no circuito Por isso foi necessário obter dois relatórios no sistema corporativo da Chesf um referente ao histórico de corrente da LT SBTPEDW1 05V7 e o outro sobre os limi tes operacionais desta ambos disponibilizados pelo Centro Regional de Operação Norte CRON A partir do Relatório de Limites Operacionais da subestação PED o limite de corrente operacional da respectiva LT é de 2956 ampères por fase Chesf 2017 A partir do histórico de corrente da LT SBTPEDW1 nos períodos de janeiro a outubro de 2017 também obtidos no site do CRON foi calculada a média mensal e o registro do valor máximo mensal registrado nesse período A Tabela 1 apresenta as respectivas médias mensais e carre gamentos Rodrigues et al 417 Observouse que o carregamento médio ficou em 1150 e o máximo chegou a 2137 no mês de setem bro ou seja há muita ociosidade na LT Como a potência demandada média S da usina fotovoltaica é de 310 MVA com uma tensão V de 500 kV então a corrente nominal fornecida pela usina fotovoltaica Ifv foi calculada con forme Eq 1 Ifv ffiffiffiS 3 p V 310 MVA ffiffiffi 3 p 500 kV 358 38 A ð1Þ Para a nova configuração injetando a corrente nominal da usina fotovoltaica Ifv na LT SBTPEDW1 recalculouse os carregamentos médio e máximo Os novos valores obti dos são apresentados na Tabela 2 O novo carregamento médio da LT SBTPEDW1 05V7 será de 2363 com o máximo de 3350 que foi registrado no mês de setembro viabilizando tecnicamente a interligação 32 Potência elétrica fornecida pela usina fotovoltaica Para definir a capacidade instalada do gerador foto voltaico utilizouse como referência a potência deman dada pela termelétrica a partir do seu histórico de medição Para o dimensionamento considerouse o rendimento glo bal da planta fotovoltaica módulo inversores entre ou tros Posteriormente obtevese o histórico de potência demandada da Usina Pecém II no período de janeiro a ou tubro de 2017 Com base nesses dados foi elaborada a Tabela 3 com as médias mensais da potência reativa po tência ativa e potência aparente Para os cálculos das mé dias foram excluídas as medições horárias de valor zero A tabela faz uma síntese dos valores médios mensais bem como os valores máximos de potência registrados no perí Figura 1 Mapa do zoneamento geoecológico para o Núcleo de Desertificação de IrauçubaCentroNorte Fonte FUNCEME 2015 418 Mitigação dos Efeitos das Mudanças Climáticas a partir da Substituição Gradual de Termelétricas a Carvão por Usinas Fotovoltaicas odo de análise A potência ativa aparece com o sinal nega tivo por definição por se tratar de uma fonte de energia A partir dos dados de potência de Pecém II apre sentados na Tabela 3 a usina fotovoltaica foi projetada para atender a potência aparente média de 21504 MVA média aritmética das potências aparente dos meses de janeiro a outubro de 2017 como também a potência apa rente máxima de 30823 MVA A potência elétrica total ou aparente unidade em MVA é composta de duas parcelas a potência ativa unidade em watts e a potência reativa unidade em VAr sendo a razão entre a potência ativa P e a potência aparente S denominada de fator de potência FP apresentada na Eq 2 FP PMW SMVA ð2Þ Dessa forma a base de cálculo da capacidade instalada do gerador fotovoltaico é a mesma potência fornecida pela termelétrica para o Sistema Interligado Nacional SIN sendo o valor definido em 310 MVA um pouco superior ao valor máximo registrado do seu histórico Com os da dos da Tabela 3 pôdese determinar o fator de potência para a Usina Pecém II o fator de potência médio foi de 095 indutivo médio Conhecendo o fator de potência e a potência aparente pôdese aplicar a Eq 3 para conhecer a potência ativa P FP S 294 5 MW ð3Þ 33 Inclinação dos módulos fotovoltaicos radiação solar e temperatura em Irauçuba Para evitar o acúmulo de sujeira na superfície dos módulos adotouse um ângulo de inclinação de 10º com o plano horizontal A Tabela 4 apresenta os valores de Irra diação solar diária média mensal Irrad analisados no pe ríodo de 1999 a 2015 e a correção desses dados Irradk de acordo com a Tabela de Fatores de Correção da Radiação para Superfícies Inclinadas que informa o fator de corre ção k A média de irradiação solar no ano será a média aritmética dos valores mensais já corrigidos pelo fator k ou seja 549 kWhm2dia Tabela 1 Dados de carregamento médio e máximo da LT SBTPEDW1 por fase no período de janeiro a outubro de 2017 Meses Limite operacional da LV 05V7 A Corrente média por fase A Carregamento médio da LT por fase Corrente máxima por fase A Carregamento máximo da LT por fase Jan17 2956 32544 1101 56958 1927 Fev17 2956 35987 1217 509717 1724 Mar17 2956 37518 1269 46782 1583 Abr17 2956 34697 1174 47509 1607 Mai17 2956 34481 1166 44328 15 Jun17 2956 32787 1109 479 162 Jul17 2956 29439 996 48465 164 Ago17 2956 35436 1199 56324 1905 Set17 2956 35091 1187 6318 2137 Out17 2956 32011 1083 47927 1621 Fonte Autoria própria a partir do histórico de leituras da Chesf 2017 Tabela 2 Carregamento médio e máximo da LT SBTPEDW1 com a inserção da usina fotovoltaica no circuito Meses Limite operacional da LV 05V7 A Corrente média por fase A Carregamento médio da LT por fase Corrente máxima por fase A Carregamento máximo da LT por fase Jan17 2956 68382 2313 92796 3139 Fev17 2956 71825 243 868097 2937 Mar17 2956 73356 2482 8262 2795 Abr17 2956 70535 2386 83347 282 Mai17 2956 70319 2379 80166 2712 Jun17 2956 68625 2322 83738 2833 Jul17 2956 65277 2208 84303 2852 Ago17 2956 71274 2411 92162 3118 Set17 2956 70929 2399 99018 335 Out17 2956 67849 2295 83765 2834 Fonte Autoria própria a partir de dados da Chesf 2017 Rodrigues et al 419 Os coeficientes de temperatura dos módulos foto voltaicos tomam como base as suas características elé tricas em Condições Padrões de Ensaio STC do inglês Standard Test Conditions com a temperatura das células fotovoltaicas no valor padrão de 25 C Qualquer valor acima ou abaixo dessa referência significa alterações nos valores das características elétricas dos módulos resul tando numa perda de geração de energia elétrica Vale destacar que a região de análise possui uma temperatura média acima do valor de referência e se faz necessário obter a temperatura média do ar local para recalcular a po tência pico final do módulo Foi considerada a média de temperatura máxima registrada no município de Sobral pois não há registros para Irauçuba na base de dados do INMET A Tabela 5 apresenta a média anual de tempera tura máxima nesse período Para recalcular a potência pico final do módulo será a média das temperaturas máximas 335 C como sendo a temperatura ambiente local 34 Viabilidade técnica e econômica Optouse por um módulo com alta potência de pico Wp e com isolamento de 1500 Vdc A partir do data sheet do fabricante selecionado a Tabela 6 apresenta os alguns dados técnicos do módulo Como a potência de saída já é conhecida estimouse as perdas do sistema fotovoltaico para dimensionar a po tência instalada do gerador fotovoltaico a fim de garantir a potência de saída esperada compensando todas as perdas da planta Os coeficientes de perda do sistema fotovoltaico são estimados na Tabela 7 Na Tabela 7 foram listados os valores adotados para o cálculo das perdas de forma setorial A seguir é apre sentado o cálculo do fator temperatura Ktemp Para se obter a diferença entre as grandezas elétricas em condi ções de laboratório e as estimativas dessas características em campo devese multiplicar a temperatura ambiente pelo coeficiente de temperatura fornecido pelo fabricante no datasheet e aplicar na Eq 4 Ktemp T Ctemp ð4Þ onde Ktemp é a diferença entre as características elétricas em STC e a estimativa de característica elétrica em campo T é a média anual das temperaturas máximas C apresentada na Tabela 5 e Ctemp é o coeficiente de tem Tabela 3 Carregamento médio e máximo da LT SBTPEDW1 com a inserção da usina fotovoltaica no circuito Período Potência reativa média mensal MVAr Potência ativa média mensal MW Potência aparente média mensal MVA Potência reativa máxima mensal MVAr Potência aparente máxima mensal MVA Jan17 6312 18766 19843 26819 10625 Fev17 6433 19157 20208 27212 12862 Mar17 5958 20691 21567 26694 11392 Abr17 6652 22383 23423 27864 13177 Mai17 7002 22151 23292 26473 11495 Jun17 6513 18445 19618 27199 12031 Jul17 594 16696 17736 1762 7524 Ago17 6192 21519 22431 26826 10693 Set17 6763 22613 23631 27897 12173 Out17 6976 24246 25249 2691 11488 Fonte Autoria própria a partir do histórico de leituras da Chesf 2017 Tabela 4 Dados de radiação solar no município de Irauçuba Mês Jan Fev Mar Abr Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Média Irrad 52 532 519 478 497 501 532 608 652 643 622 562 Fator k 093 096 099 103 105 105 104 102 099 096 094 093 Irradk 484 511 514 492 522 526 553 62 645 617 585 523 Fonte Adaptado de CRESESB 2017 Tabela 5 Média de temperatura mensal e anual consideradas para o município de Irauçuba Média Jan Fev Mar Abr Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Anual Temperatura 338 323 314 311 312 316 33 348 358 359 356 355 Fonte INMET 2017 420 Mitigação dos Efeitos das Mudanças Climáticas a partir da Substituição Gradual de Termelétricas a Carvão por Usinas Fotovoltaicas peratura para a característica elétrica a ser compensada por grau fornecido pelo fabricante Aplicando as variáveis T 335 ºC e Ctemp 041C temos da Eq 4 que Ktemp 1373 A equação da diferença de características elétricas resultará em um valor percentual de rendimento por fator tempera tura que deverá ser adicionado à grandeza elétrica em STC do módulo fotovoltaico conforme a Eq 5 onde RC é a estimativa de rendimento da grandeza elétrica do módulo fotovoltaico Aplicando o valor de Ktemp na Eq 5 temse que RºC 8626 RC 1 þ Ktemp ð5Þ Posteriormente calculase a estimativa de potênciapico do módulo fotovoltaico corrigido para a nova temperatura de trabalho utilizando o valor da potênciapico em con dições de laboratório STC 320 Wp multiplicando pelo valor de RºC O valor final será 27603 Wp sendo o seu rendimento de 8626 e perda de 1373 para o fator temperatura Ktemp Conhecendo os fatores de perda da Tabela 7 calculase o rendimento global do sistema foto voltaico através da multiplicação de todos esses coefi cientes em decimal de acordo com a Tabela 8 A partir dos coeficientes de perda já contabilizados na forma decimal apresentada na Tabela 7 aplicase na Eq 6 para o Rendimento Global Rg Rg ¼ Csomb Csuj Ctol Cmis Ctemp Ccc Cspmp Cinv Cca ð6Þ E então Rg 71 81 Com o valor do rendimento global determinado podese determinar as perdas P pela Eq 7 de onde se conclui que P 2819 P 1 Rg ð7Þ Para suprir as perdas do sistema fotovoltaico em torno de 28 19 e a degradação dos módulos durante 25 anos a potência fornecida ao sistema elétrico terá que ser no mí nimo 2945 MW para garantir o atendimento das cargas alimentadas pela termelétrica Pecém II Assim a capaci dade instalada da usina fotovoltaica será em torno de 430 MW valor adotado para contabilizar 2819 de per das sendo a potência fornecida ao sistema elétrico de 30878 MW Para calcular a quantidade de módulos necessários para gerar a potência esperada na saída do sistema foto voltaico utilizouse as Eqs 8 9 e 10 A energia elé trica fornecida pela usina diariamente Ef é dada pelo produto da potência do gerador pelo tempo de insolação apresentado na Eq 7 Tabela 6 Carregamento médio e máximo da LT SBTPEDW1 com a inserção da usina fotovoltaica no circuito Fabricante CanadianSolar Modelo DIAMOND CS6X320PFG Tipo Silício policristalino Rendimento 25 anos 855 Arranjo 72 células Dimensões 1968 x 992 x 58 mm Potência Pmax 320 Wp Vmp 368 V Imp 869 A Tensão de Circuito Aberto Vop 453 V Corrente de Curto Circuito Isc 926 A Eficiência 1639 Temperatura de operação 40 C até 85 C Max System Voltage 1500 IEC or 1000 V UL Máximo fusível em série 15 A Power Tolerance 05W Temperature Coefficient Pmax 041 C Temperature Coefficient Voc 031 C Temperature Coefficient Isc 0053 C Temperatura nominal de operação da célula 45 2 C Fonte Datasheet do módulo DIAMOND 320 Wp do fabricante Cana dianSolar 2017 Tabela 7 Coeficientes de perda estimados setorialmente Coeficiente de perda Símbolo Valor considerado Sombreamento Ksomb 5 Sujeira Ksuj 2 Tolerância de potência Ktol 0 Mistmatching Kmis 2 Fator Temperatura Ktemp 1373 Cabeamento CC Kcc 1 SPMP Kspmp 2 Conversão CCCA Kinv 5 Cabeamento CA Kca 1 Fonte Adaptado do DSG 2013 Tabela 8 Valores dos coeficientes de rednimento aplicados na equação de rendimento global Coeficiente de rendimento Símbolo Valores em Sombreamento Csomb 095 Sujeira Csuj 098 Tolerância de Potência Ctol 1 Mismatching Cmis 098 Cabeamento CC Ccc 099 Fator Temperatura Ctemp 08626 SPMP Cspmp 098 Conversão CCCA Cinv 095 Cabeamento CA Cca 099 Rodrigues et al 421 422 Mitigagao dos Efeitos das Mudangas Climaticas a partir da Substituicao Gradual de Termelétricas a Carvao por Usinas Fotovoltaicas Ey 43 10 kW x 7 301 x 10 kWdia 8 As termelétricas a carvdo mineral sdo as campeas no dia ranking de emissao sendo os valores minimos de 800 g de COkWh Greenpeace 2010 Para a térmica Pecém II a P ara converter a potencia elétrica em poténcia pico partir da média dos dados da coluna Poténcia Ativa P pico foi aplicada a Eq 8 atraves da razao entre Eye a Média Mensal MW na Tabela 3 sua demanda média média da irradiagao solar corrigida pelo fator k 549 kWh mensal é 20667 MW e considerando o seu desligamento mdia no periodo de funcionamento da usina fotovoltaica no pe riodo de insolagao 7 horas sendo a energia ofertada pela Prico 3 548269 58 kWp 9 termeletrica por dia corresponde a 144669 MWh e no més 4340070 MWh Entao a reducao de emissao de CO para a atmosfera com o desligamento parcial da termelé Por fim para se obter o numero 7 de médulos necessa trica durante sete horas por dia sera de 115735 toneladas rios aplicouse a Eq 9 sendo a razdo entre Picg em de CO por dia e no més 3472056 toneladas de COp watts e a poténcia nominal do médulo de 320 Wp As termelétricas a carvao utilizam como ciclo de po téncia o de Rankine a vapor que 0 ciclo de poténcia n 548269 58 x 1000 1713343 10 basico utilizado na grande maioria das usinas termelétricas 320 em operacao no mundo IEMA 2015 Além de se utilizar a agua em forma de vapor para girar a turbina do gerador e O inversor atua como localizador automatico do ponto de assim gerar eletricidade 6 necessario um grande volume maxima poténcia dos médulos visando maximizar a efi de agua para o processo de resfriamento do vapor atra ciéncia como também converte o circuito em corrente vés dos condensadores e torres de resfriamento retornan continua para corrente alternada sendo a tensdo elétrica do para o estado liquido para iniciar um novo ciclo com magnitude e frequéncia idéntica ao da rede Além de Dessa forma para quantificar a captacao de agua da monitorar as grandezas elétricas j4 vem com fungées de Pecém I foi necessario acessar os dados de consumo de protecdo sobrecorrente sobretens4o subtensao subfre agua em metros cilbicos m no periodo de dezembro quéncia detecao de falta a terra como também realizam 2016 a setembro de 2017 disponilibilizados pela Com a correcao do fator de poténcia da rede com o controle de panhia de Gestéo dos Recursos Hidricos Cogerh reativos a proteao conta todas as falhas de energia regu através de um oficio solicitado pela Universidade Esta lacdo de tensao e corregao de harmonicos O projeto inclui dual do Ceara UECE foi possivel estimar a economia a instalacdo de 68 estacdes de inversores ABB PVS980 de agua com o desligamento parcial da termelétrica MWS cada uma com capacidade de 46 MW Cada esta Pecém II por sete horas A Tabela 9 apresenta 0 consumo cao abriga dois inversores um transformador BTMT de agua m mensal no periodo de dezembro de 2016 a sistemas auxiliares de poténcia auxiliar monitoramento setembro de 2017 faturado pela Cogerh da empresa filtracao de ar entre outros Energia Pecém Pecém I e Pecém II sendo 0 seu nome Para atestar a viabilidade econémica foram utiliza na fatura especificado como Porto do Pecém geracao de das as ferramentas financeiras Valor Presente Liquido Energia SA VPL payback e Taxa Interna de Retorno TIR O inves A partir da Tabela 9 o valor de captagao de agua timento necessario seria de R 513393909552 com boa m médio é 129230539 obtido a partir da média dos parte do montante financiado pelo Bando Nacional de dados da coluna Consumo m Para obter 0 consumo Desenvolvimento BNDES O projeto se mostrou viavel de agua por hora mh dividiuse 0 consumo mensal com um lucro no final de 30 anos de R 146492201569 pela quantidade de horas num més 24 h x 30 720 h Sendo o tempo de retorno 0 payback descontado no ini Posteriormente foi realizada uma média dos valores de cio do vigésimo quarto ano de operacao da usina foto consumo mh dos dez meses do periodo sendo o resul voltaica A TIR foi de 5 aa tado 177019 mh Para se chegar no valor aproximado de captagio de agua mh somente da Pecém II foi utili 35 Aspectos ambientais zado o método da porporcionalidade a partir dos dados O carvao 0 mais abundante dos combustiveis fos nominais do sua vazao informados pelo Instituto de Ener seis e também o maior emissor de GEE Atende 115 do gia e Meio Ambiente IEMA Os dados nominais da capta consumo de energia no mundo e responsavel por cerca cao de Agua em mh da Pecém I e Pecém II sao respecti de 46 das emiss6es globais No Brasil a exploracao das vamente 205278 mh e 104025 mh ou seja o poucas reservas de carvao concentrase em Santa Catarina consumo de Pecém II representa 3363 da vazao total e no Rio Grande do Sul As usinas termelétricas a carvao mh com 59531 mh Considerando o seu desliga tém participacao de 43 na matriz elétrica atual sendo mento durante o periodo de 7 horas por dia com o funcio no Ceara a maior delas a Energia Pecém Greenpeace namento da usina fotovoltaica entéo teremos uma reducdo 2016 no volume de 416720 m por dia e no més representaria uma redução de 12501613 m3 ou seja uma redução de 967 do volume de captação de água por mês no açude Sítios Novos Dessa forma se a termelétrica a carvão Pecém II for acionada apenas nos períodos de baixa geração de energia elétrica da usina fotovoltaica horários noturnos dias nublados e com chuva a estimativa do ganho ambiental com o seu desligamento durante 7 horas por dia será a redução da emissão de didóxido de carbono em 3472056 toneladas por mês e da captação de água em 12501620 m3 por mês ou seja uma redução de 967 do volume de captação de água no mês Um outro ponto a se destacar é a vantagem do empreendimento em questão aproveitar uma linha de transmissão já existente para a conexão elétrica com o SIN evitando os impactos socio ambientais associadas à sua construção e manutenção 4 Considerações Finais A solução técnica apresentada na pesquisa é investir em usinas fotovoltaicas conectadas à rede elétrica no Ceará em virtude de seu grande potencial solar disponí vel para substituir parcialmente as termelétricas a carvão do estado Dessa forma foi realizado um estudo de caso para o desligamento parcial da termelétrica Pecém II no município de São Gonçalo do Amarante com a instalação de uma usina fotovoltaica de capacidade instalada equiva lente no Município de Irauçuba aproveitando áreas sus ceptíveis à desertificação O projeto da usina fotovoltaica em Irauçuba se apre sentou viável tecnicamente e economicamente com impactos ambientais bem reduzidos quanto à instalação uma vez que na fase de instalação não seria necessário construir extensas linhas de transmissão essenciais Isso se deve ao fato de que próximo às áreas disponíveis existe uma LT de 500 kV conectando a subestação do acessante Pecém II com a subestação no município de Sobral e será o meio de conexão elétrica com o SIN Para o setor elétrico o ganho seria o aumento da participação da fonte solar na matriz elétrica cearense e o incentivo a investimentos locais nesse segmento Nos aspectos ambientais a pesquisa apresentou três aspectos importantes relacionados à mitigação dos efeitos do pro cesso de mudanças climáticas O primeiro deles é a utili zação de áreas que devido às causas naturais e antrópicas concorrem para um estágio avançado de desertificação O segundo está relacionado à escassez de recursos hídricos os quais são bastante demandados na termelétrica ao passo que na geração fotovoltaica o seu uso é praticamente similar ao uso residencial Por fim a emissão de GEE sofre uma significativa redução por conta do desligamento da termelétrica Percebese ao longo deste trabalho que no setor elé trico especificamente olhando para o ONS faltou priori zar em suas estratégias de operação e controle do SIN mé todos que assegurem e priorizem fontes de geração de energia limpa e renovável em detrimento das fontes que emitem GEE A pesquisa desenvolvida para o estado do Ceará pode ser replicada para outras regiões do Brasil sobretudo para o Nordeste O processo de desativação de termelétricas e a inserção de fontes de energias renováveis e limpas é uma opção não somente ambiental e econômi ca mas também política Portanto defendemos que os pontos aqui defendidos permeiem o planejamento energé tico sob todos esses pontos de vista Há de ressalvar que por depender de um recurso na tural a geração fotovoltaica é intermitente ou seja há períodos do dia ou do ano que a energia gerada pode ser tão baixa que não atenda a demanda requerida Nessas situações no caso da geração hídraúlica não atender é preciso que se recorra às termelétricas por isso não defen demos aqui a desativação total destas Defendese no entanto seu uso mínimo em situações estritamente emer genciais para o suprimento de faltas Referências CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓ LICA CRESESB Radiação Solar Disponível em http wwwcresesbcepelbrindexphpsectioncomconten tlangptcid301 Acesso em 11 out 2017 COGERH Disponível em wwwcogerhcombrgt Acesso em 07 fev 2017 COMPANHIA HIDRO ELÉTRICA DO SÃO FRANCISCO CHESF Intranet Disponível em http101366010proje tosWebSupervisionWebindexphplinkpasmenuphp Acesso em 10 out 2017 DATASHEET CANADIAN SOLAR Disponível em https wwwcanadiansolarcomdownloadsdatasheetsnaCana dianSolarDatasheetCS6XPFGDiamondv53napdf Acesso em 12 out 2017 DRUMM FC GERHARDT AE FERNANDES GD CHAGAS P SUCOLOTTI MS et al Poluição atmos férica proveniente da queima de combustíveis derivados do Tabela 9 Histórico de consumo de água mensal m3 da empresa Ener gia Pecém Termelétricas Pecém I e II no período de Dezembro de 2016 a Setembro de 2017 Coeficiente de rendimento Símbolo 105525200 141835 127870500 171869 105832489 157489 143699100 193144 150717900 209330 148744700 199926 116040000 161167 113871100 153053 145458700 195509 134545700 186869 Fonte Adaptado de Cogerh 2017 Rodrigues et al 423 petróleo em veículos automotores Revista Eletrônica em Gestão Educação e Tecnologia Ambiental v 18 n 1 p 6678 2014 FUNDAÇÃO CEARENSE DE METEOROLOGIA E RECUR SOS HÍDRICOS FUNCEME Zoneamento Ecológico Econômico das Áreas Susceptíveis à Desertificação do Núcleo II Inhamuns Fortaleza Departamento Nacional de Obras Contra as Secas 2015 DSG GERMAN SOLAR ENERGY SOCIETY Planning and Installing Photovoltaic Systems 3rd Ed New York Routledge Press 2013 GREENPEACE A Caminho do Desenvolvimento Limpo Dados do Greenpeace dez 2016 Disponível em http wwwgreenpeaceorgbrasilGlobalbrasilimage2015 Dezembro2016Revolução20Energética202016 20Greenpeace20Brasilpdf Acesso em 17 out 2017 GUIMARÃES SO COSTA AA VASCONCELOS JÚNIOR FC SILVA EM SALES DC ARAÚJO JÚ NIOR LM SOUZA SG Projeções de mudanças climá ticas sobre o Nordeste brasileiro dos modelos do CMIP5 e do CORDEX Revista Brasileira de Meteorologia v 31 n 3 p136 2016 INSTITUTO DE ENERGIA E MEIO AMBIENTE IEMA Série Termoeletricidade em Foco Uso de Água em Ter moelétricas 2016 Disponível em httpwwwenergiaeam bienteorgbrwpcontentuploads201611IEMAAGUA pdf Acesso em 1 set 2017 INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGIA INMET Normais Climatológicas do Brasil 19611990 Disponível em httpwwwinmetgovbrportalindexphprclimanor maisClimatologicas Acesso em 11 out 2017 INTERGOVERNMENTAL PANEL ON CLIMATE CHANGE IPCC Climate Change 2013 The Physical Science Basis Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change STOCKER TF QIN D PLATTNER GK TIGNOR M ALLEN SK BOSCHUNG J NAUELS A et al eds Cambridge University Press Cambridge 1585 pp NASCIMENTO RS ALVES GM Fontes alternativas e reno váveis de energia no Brasil Métodos e benefícios ambien tais XX Encontro Latino Americano de Iniciação Científica XVI Encontro Latino Americano de Pós Graduação e VI Encontro de Iniciação à Docência Uni versidade do Vale do Paraíba 2016 NÓBREGA RS Tendências do controle climático oceânico sob a variabilidade temporal da precipitação no Nordeste do Brasil Revista de Geografia Norte Grande n 63 p 1 34 2016 OLIVEIRA GS Mudanças climáticas ensino fundamental e médio Coleção Explorando o Ensino v 13 Brasília MECSEBMCTAEB 2009 ONS OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA ELETRÔ NICO Histórico da operação 2017 Disponível em httponsorgbrPaginasresultadosdaoperacaohistorico daoperacaogeracaoenergiaaspx Acesso em 1 set 2017 TILIO NETO P Ecopolítica das Mudanças Climáticas O IPCC e o Ecologismo dos Pobres online Rio de Janeiro Centro Edelstein de Pesquisas Sociais 2010 Available from SciELO Books httpwwwscielobrscielophp scriptsciarttextpidS0102 77862016000700337lngennrmisotlngpt Acesso em 13 fev 2017 License information This is an openaccess article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License type CCBY which permits unrestricted use distribution and reproduction in any medium provided the original article is properly cited 424 Mitigação dos Efeitos das Mudanças Climáticas a partir da Substituição Gradual de Termelétricas a Carvão por Usinas Fotovoltaicas