Estudo da viabilidade energética da energia solar no sertão da Paraíba em comparação as principais formas de geração de energia elétrica

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DOI: 10.32749/nucleodoconhecimento.com.br/meio-ambiente/viabilidade-energetica
Estudo da viabilidade energética da energia solar no sertão da Paraíba em comparação as principais formas de geração de energia elétrica
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ARTIGO ORIGINAL

ALMEIDA, Carlos Henrique Alencar [1], SOUSA, José Wallisson de Abreu [2], DANTAS, Maria Lindinêz Lopes [3], NETO, Alberto Grangeiro Albuquerque [4], JÚNIOR, João Batista Lacerda [5], NETO, José Tavares de Luna [6]

ALMEIDA, Carlos Henrique Alencar. Et. Al. Estudo da viabilidade energética da energia solar no sertão da Paraíba em comparação as principais formas de geração de energia elétrica. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 04, Ed. 03, Vol. 02, pp. 23-37. Março de 2019. ISSN: 2448-0959.

RESUMO

O presente trabalho teve como foco realizar um estudo aprofundado sobre a viabilidade do aproveitamento da energia solar para geração elétrica, mostrando os diversos meios de aproveitar esse recurso de maneira sustentável, onde as regiões de Patos e Cajazeiras no sertão Paraibano foram alvos principais deste estudo, pois nelas é possível destacar o grande potencial energético proveniente da luz solar, além de estudos a nível nacional.

Palavras-chave: Viabilidade energética, sustentabilidade, geração de energia elétrica.

INTRODUÇÃO

A crescente demanda por energia elétrica chocou-se contra o aumento da temperatura global, catástrofes naturais e altos níveis de toxicidade na atmosfera, nos rios, no solo e no mar estão cada vez mais visíveis. Responsável pelo efeito estufa que contribui para o aumento da temperatura global, os níveis de concentração de dióxido de carbono (CO2) alcançou níveis máximos em 400 ppm na atmosfera no final de 2015 atingindo um perigoso ponto de não retorno (ALVES, 2015; WMO, 2016). A influência das atividades humanas no sistema climático tornou-se cada vez mais evidente. Essa influência está sendo cada vez mais demonstrada por estudos de atribuição para alguns dos extremos climáticos e climáticos mais críticos, em particular extremos relacionados ao calor (WMO, 2016).

No Brasil, o consumo elétrico atual, segundo Ministério de Minas e Energias está em torno de 526 TWh, a previsão para o ano de 2020 é que o consumo chegue a um valor em torno de 730 TWh. Isto significa dizer que nos próximos anos teríamos que aumentar nossa capacidade de geração de energia elétrica ao passo que devemos cuidar dos aspectos ambientais, nos utilizando de sistemas de geração mais eficientes e com maior sustentabilidade.

A hidrogeração, fonte principal de geração no Brasil, é considerada energia limpa, devido aos baixos níveis de emissão de CO2, porém com muitos impactos ambientais e alteração no ecossistema durante a sua implantação, como também a incerteza da geração de eletricidade, pois dependente do regime de chuvas, uma vez que não há garantia de precipitação regular todos os anos, assim, quase todo o Sistema Elétrico Brasileiro (SEB) é caracterizado por um comportamento sazonal, tornando preocupante a escolha pela ampliação desse percentual de geração para atender às futuras demandas elétricas. Segundo Silva (2011), da capacidade de geração elétrica do Brasil no ano de 2011, a hidrogeração correspondeu a 77% da produção da matriz elétrica nacional, já em 2017 a hidrogeração correspondeu a 65,2% da produção da matriz elétrica nacional, o fator determinante para esse menor percentual foi a utilização de outras fontes renováveis como a geração fotovoltaica (energia obtida a partir do sol) que vem num crescimento acelerado por meio de incentivos do governo, com perspectiva que em 2024 essa fonte de energia possa representar cerca de 15% da matriz energética nacional.

A necessidade de renovação da nossa matriz energética vem abrindo portas também para a energia eólica ao qual, segundo a ABEEólica (2018), o Brasil alcançou em Novembro de 2018 a marca de 14,34 GW de capacidade instalada de energia eólica, distribuída em 568 parques eólicos. Muitos desses parques eólicos estão localizados na região nordeste, região com bons ventos. Há de se destacar também os elevados potenciais de irradiação anuais da região, principalmente no semiárido paraibano, contribuindo para outras formas de geração energética ainda não utilizadas como a Torre Solar, que diminuiria a geração termelétrica que em 2014 contribuiu com 88,5% da geração de energia da Paraíba, que geralmente utiliza combustíveis fósseis para a queima e geração de energia elétrica, contribuindo para o aquecimento global. A tecnologia Torre Solar tem excelente perspectiva de longo prazo, alcança elevadas eficiências e armazenamento à alta temperatura, operação híbrida possível. Junto com a geração fotovoltaica na Paraíba, que segundo a ANEEL, o estado provém de três centrais geradoras solar fotovoltaica com a viabilidade da implantação do empreendimento em alta, pode-se diminuir a geração por termelétrica influenciando diretamente no custo da energia e na emissão de CO2.

DESENVOLVIMENTO

Conforme os resultados obtidos em diferentes meios de pesquisas, obtemos dados importante sobre diversos meios renováveis de geração de energia, um bom exemplo é a hidrogeração (hidráulica), representada na Figura 1, referente a 2017, a hidrogeração corresponde a 65,2% da produção da matriz elétrica nacional. Observamos uma queda no percentual da geração hidroelétrica, se comparado às produções elétricas nacionais, demonstrando um avanço e maior investimento nas produções de fontes limpas, eólica e solar.

Figura 1. Percentual da Matriz Elétrica Brasileira em 2017. Fonte: EPE (2017, p. 31).

Conforme aponta o Figura 1, a matriz energética do Brasil possui em mais de 60% de sua composição a contribuição de usinas hidrelétricas, já a energia solar possui menos de 1%, mesmo com a grande quantidade de irradiação comprovada. Contudo, vimos também que a geração eólica cresceu de 5,4% no ano anterior para mais de 6% no ano de 2017 mostrando que a eficiência dos ventos em terras brasileiras é também de grande importância para uma matriz energética renovável. Por ser renovável e não lançar poluentes para a atmosfera durante sua operação tornam a energia eólica uma das fontes mais promissoras para mitigação de problemas ambientais tanto a nível global como nacional.

Com o passar dos anos a hidrogeração vem perdendo um pouco da sua capacidade em razão do aumento considerável de outras fontes de energia, a maioria sendo de origem sustentável, que hoje no Brasil se desenvolvem com mais facilidade. Na Figura 2, observa-se esse retrocesso de energia de origem hidráulica de 2011 a 2017.

Figura 2. Decaimento da energia Hidráulica durante os anos de 2011/2017. Fonte: Elaboração própria a partir dos dados da EPE (2011 a 2017).

Como alternativa para diminuição na produção de CO2, países desenvolvidos vêm adotando diversas formas de geração alternativa de energia para atender à crescente demanda por energia elétrica. Dentre elas, a energia solar vem ganhando proporções relevantes como podemos observar na Figura 3, o gráfico demonstra o crescimento no número de conexões fotovoltaicas instaladas no Brasil. Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), até 2024, cerca de 1,2 milhão de geradores de energia solar ou mais deverão ser instalados em casas e empresas em todo o Brasil, representando 15% da matriz energética brasileira, e até o ano 2030 o mercado de energia fotovoltaica deverá movimentar cerca de R$ 100 bilhões. Este crescimento se dá não só pelo avanço nas pesquisas, melhorando a eficiência, mas também na diminuição do preço dos produtos, busca pela energia limpa, alternativa para uma crise energética e no incentivo dos governos, por meio de isenção fiscal e através de programas públicos.

Figura 3. Crescimento no número de conexões fotovoltaicas de 2014 até 2017. Fonte: Adaptado de Facilita (2017).

Além da crescente demanda pela energia solar fotovoltaica, a energia eólica também tem se destacado em meio a procura por energias limpas (renováveis), onde o Brasil tem ampliado significativamente sua participação na geração eólica em sua matriz elétrica, devido aos avanços que têm ocorrido em meio às políticas que foram desenvolvidas especificamente para o setor. Locais como; regiões costeiras, de maneira geral no Nordeste, e ao longo do Vale do Rio São Francisco e na região Sul, são consideradas com maior potencial eólico. Embora haja muita divergência entre especialistas e instituições na previsão do potencial eólico brasileiro, estima-se em cerca de 143 GW de capacidade para instalação, dos quais 9,77 GW já aproveitados até o ano de 2015 (Azevedo et al., 2017). O uso dessa energia está cada vez maior, ainda que esta se encontra em expansão em âmbito nacional, o investimento no ano de 2015 foi em cerca R$ 20 bilhões, o que representou cerca de 7% na matriz elétrica brasileira, acarretando a geração de 41 mil empregos (Azevedo et al., 2017). E essa evolução da capacidade instalada tende a aumentar nos próximos anos conforme especificado na Figura 4, detalhando previsões futuras, fundamentado pelas contratações já realizadas em leilões regulados e no mercado livre (Azevedo et al., 2017).

Figura 4- Evolução da capacidade de energia eólica instalada no Brasil, com previsões futuras (MW). Fonte: Revista Uningá (2017, p. 101-106.)

De acordo com ABEEólica (2018), o Brasil alcançou em novembro de 2018 a marca de 14,34 GW de capacidade instalada de energia eólica, distribuída em 568 parques eólicos, totalizando 7 mil aerogeradores em 12 estados. No Quadro 1 abaixo é possível observar a capacidade instalada e o número de parques respectivos a cada estado.

Quadro 1 Distribuição dos Parques Eólicos por estado

Fonte: ABEEólica (2018).

A fonte eólica tem proporcionado um crescimento contínuo, passando de menos de 1 GW em 2011 para os 14 GW de agora, completamente conectados à rede de transmissão. Em média, a energia gerada por torres eólicas equivale atualmente ao consumo residencial médio de cerca de 26 milhões de habitações (80 milhões de pessoas) (ABEEólica, 2018).

Segundo Elbia Gannoum, Presidente Executiva da ABEEólica, “o Brasil avançou no Ranking de capacidade instalada de energia eólica, passando do 15º lugar em 2012 para a 8ª posição em 2017, de acordo com a Global Wind Energy Council. Também é importante mencionar que, no ano passado, a Bloomberg New Energy Finance estimou o investimento do setor eólico no Brasil em US$ 3,57 bilhões (R$ 11,4 bilhões), representando 58% dos investimentos realizados em renováveis no país (eólica, solar, biomassa, biocombustíveis e resíduos, PCH e outros). Considerando o período de 2010 a 2017, o investimento já passa dos US$ 30 bilhões. Estes são alguns dos dados que mostram a importância do setor eólico, nossa capacidade de crescer, fazer investimentos e trazer benefícios para o Brasil”.

A utilização da energia eólica acarreta em uma série de vantagens e desvantagens. Podemos analisar no Quadro 2 abaixo:

Quadro 2: Vantagens e desvantagens da energia eólica

Vantagens Desvantagens
Impacto ambiental praticamente nulo Nem sempre há vento quando a electricidade é necessária
Rápida implantação Área para montagem dos parques necessita ser muito ampla
Potencial de geração de crédito de carbono Poluição visual
Fonte inesgotável
Geração de investimento em zonas desfavorecidas
Requer escassa manutenção (semestral)
Contribuição para diversificação da matriz energética brasileira, a partir de uma fonte renovável

Fonte: Nunes (2017).

A geração termelétrica tem se destacado em meio as fontes de geração de energia elétrica no país. O Balanço Energético Nacional diz que a capacidade de geração termelétrica teve um aumento de 6%, o que culminou numa participação de 29,6% na geração total de energia elétrica em 2017. O grande problema dessa fonte de energia é a utilização de, geralmente, combustíveis fósseis (gás natural, carvão mineral, óleo diesel, óleo combustível) para operação o que se torna preocupante em relação a geração de poluentes que emite uma grande quantidade de dióxido de carbono (CO2) para a atmosfera, e também, sendo a maioria de origem fóssil, eleva a preocupação sobre a disponibilidade desses recursos a médio e longo prazo.

Em meio as consequências de degradação ao meio ambiente causados por esses meios não renováveis de geração energética, atualmente tem se buscado fontes renováveis de geração de energia no intuito de mudar este cenário, criando assim, uma conscientização pela conservação dos recursos energéticos.

A energia solar é reconhecida como uma alternativa proeminente tem-se destacado neste aspecto por ser uma fonte de energia limpa e que não traz danos ao meio ambiente, desta forma sendo uma fonte inofensiva. Assim, vem se buscando meios de aproveitamento da potencialidade que o sol nos oferece, utilizando novas e modernas tecnologias, onde, para se ter um melhor aproveitamento deste tipo de energia e, de forma eficiente, uma opção é a concentração óptica, necessária para atingir altas temperaturas para a produção de energia heliotérmica. Existem vários métodos disponíveis para a concentração de radiação solar, como técnicas de focalização de linha, que incluem a técnica de Fresnel parabólica e Fresnel linear que podem ser consultadas com mais detalhes nos trabalhos desenvolvidos por Kalogirou (2016), Custódio e Cunha (2017), técnicas de focalização de pontos, que incluem Stirling citados por Muller (2016), Pundhir (2014), e Torre Solar, baseada em heliostatos ao qual será abordada neste trabalho. Deste modo, pode-se destacar o aproveitamento da energia solar convertendo-a em calor, onde esta conversão pode ser realizada através de coletores solares que funcionam como trocadores de calor, transformando a radiação solar em calor ou, até mesmo por concentradores solares que garantem uma melhor transferência de calor.

O território brasileiro é visto com bons olhos no que diz respeito à aplicabilidade de formas de aproveitamento do recurso solar, devido ao fato de possuir uma posição privilegiada no globo, que faz com que o país recebe grande quantidade de radiação solar, seja ela radiação direta ou global (CUSTÓDIO et al, 2017), a Figura 5, mostra com mais detalhe a disposição solar no Brasil.

Quando deseja-se realizar este tipo de conversão, deve-se atentar ao fato de que não é bem simples, pois exige sacrifícios, tendo em vista que deve-se obter o trabalho desejado a partir de luz solar recebida, pois a energia que atinge o planeta irradia-se por toda superfície terrestre. Segundo Vorobieff (2008), a emissão total de energia do Sol é de 3,8 × 1020 MW, que é igual a 63 MWm2 de sua superfície. Ainda podemos atentar ao fato de que o bom aproveitamento deste tipo de recurso é refém das situações climáticas, assim, necessitando elaborar e estudar meios de se sobressair a essas intempéries na região em que foi instalado o sistema, garantindo assim, um melhor aproveitamento.

Neste trabalho iremos focar em Torre Solar como forma alternativa de geração de energia para o semiárido paraibano. A região, Figura 5, encontra-se com elevados potenciais de irradiação anuais e com uma crescente área de desertificação localizada dentro do Polígono das Secas que abrange a maior parte do Nordeste brasileiro. Isso se torna determinante para o bom funcionamento de uma usina heliotérmica, tanto no aspecto da viabilidade de implantação como na geração de energia heliotérmica.

Figura 5 – Mapa solar de irradiação direta incidente em território brasileiro (KWh/m²-dia). Fonte: Solargis (2018).

A tecnologia com Torre Solar, também conhecida como sistema de receptor central (CASTRO, L. C.2016), atua como concentrador de radiação solar para gerar potência elétrica através de luz solar a qual é focada num permutador de calor (receptor de radiação) montado no topo de uma torre onde absorve a radiação refletida. Estes sistemas usam centenas e por vezes milhares de painéis/espelhos distribuídos ao redor da torre, o nome técnico desses espelhos é helióstato. Para uma maior eficiência os heliostatos acompanham a posição do Sol ao longo do dia e refletem os raios solares para um foco, onde se encontra um receptor que refletem a luz incidente para a placa de absorção a qual poderá atingir temperaturas que variam entre os 700ºC a 1000ºC (energiaheliotermica.gov.br).

Nesses concentradores são utilizados diversos tipos de fluidos de transferência de calor de alta capacidade térmica, dentre eles estão sais fundidos, ar. Cada fluido exige um receptor especial e devem ter grande capacidade térmica sem perder as suas características físico-químicas.

Essa tecnologia possui diversas vantagens, dentre elas estão; excelente perspectiva de longo prazo, alcança elevadas eficiências e armazenamento à alta temperatura, operação híbrida possível. Como todo sistema, este também possui desvantagens como; projeções de custo não demonstradas, heliostatos requerem alta precisão de rastreamento elevando os custos de implantação, entre outras.

Na Figura 6 observamos a ilustração da planta de uma torre solar. Pelo fato de possuir uma altura considerável, na construção da torre, leva-se em consideração a velocidade do vento na região e também a sua sombra que afeta o campo dos heliostatos.

Figura 6 – Ilustração de uma planta com tecnologia concentrador de torre central e armazenamento. Fonte: Castro, L. C. (2016, p. 17).

Na planta acima, vemos o campo solar com os heliostatos (1) que recebe e reflete a radiação para o receptor na torre (3). O tanque (2) é utilizado para armazenar o fluido de transferência de calor antes de ir para a torre. O armazenamento do fluido aquecido é feito no tanque (4) e quando necessário é utilizado para ajudar na troca de calor (5). O vapor superaquecido é usado no ciclo de potência (6) que por meio de um gerador (7) produz energia elétrica para distribuição na rede (8).

Se o sistema de armazenamento é incluído, todo o excesso de calor provindo do campo dos heliostatos é enviado para o sistema de armazenamento pelo fluido de transmissão de calor. Para a melhoria da eficiência, pois a energia solar que será aproveitada dependerá sempre de muitos fatores climatológicos da zona onde está instalado a torre solar, a hora do dia, a estação do ano, a latitude do local e se o céu está limpo ou nublado, o sistema de armazenamento de energia é essencial em sistemas solares, pois ele permite que a energia possa ser usada pela maior parte do tempo possível de dia e de noite como também em picos de demanda de energia, assim tendo um maior aproveitamento de energia, melhorando a eficiência e a confiabilidade do sistema e permitindo que a oferta chegue mais perto de corresponder a demanda de energia. Esse processo se dar durante o dia onde o excesso de calor é desviado para um tanque de armazenamento que é usado em um período de alta demanda e baixa/nenhuma radiação. Uma das vantagens do armazenamento é a disponibilidade, ao passo que quando necessário, ele é usado (CASTRO, L. C. 2016).

Mesmo com a alta radiação solar em território brasileiro, a forma de se obter energia ainda é predominantemente hidráulica, enquanto que no Nordeste percebe-se uma participação expressiva de térmicas (Figura 5), temos o Brasil inteiro com grande atratividade para a energia solar, mas a região do semiárido nordestino, que envolve Paraíba, Pernambuco e Rio Grande do Norte são o grande vetor atrativo da energia solar.

Figura 7 – Capacidade Instalada de Geração no Nordeste em 2013 (Mw). Fonte: Eixos Integrados de Desenvolvimento da Paraíba (2014, p.13).

Segundo a ANEEL no momento, o estado da Paraíba provém de três centrais geradoras solar fotovoltaica com a viabilidade da implantação do empreendimento em alta, são elas; Coremas II, Angico I e Malta, ambas em operação gerando mais de 74 Mw. Há ainda mais dois empreendimentos a serem utilizados, a usina de Coremas I que se encontra em construção e a usina de Coremas III, esta com a viabilidade média, ainda com obras não inicializadas, essas duas com capacidade geradora de 27 Mw cada. Segundo informações não oficiais da concessionária, cerca de 600 novas instalações residenciais foram adicionadas ao quadro.

Enquanto a utilização de fontes termelétricas se desenvolve no Brasil, na Espanha, por exemplo, duas usinas térmicas vêm alimentando mais de 100 mil residências. Com uma área de aproximadamente 130 ha de terra, juntas produzem mais de 30 MW, aquecendo água a uma temperatura de menos de 300°C (PAVLOVIĆ, 2012). O mais impressionante é que o combustível responsável pelo aquecimento do fluido é a luz do sol, sem emissão de CO2, sem necessidade de mineração, cultivo ou reação química, apenas luz aquecendo água para mover uma turbina.

Figura 8 – Mapa solar de irradiação direta incidente em território espanhol (KWh/m²-dia). Fonte: Solargis (2018).

Se compararmos a radiação solar na Espanha com a radiação solar no Brasil, podemos notar que a maior incidência na Espanha fica apenas mais de 100 KWh/m²-dia mais radiante que o Sul do Brasil, que recebe a menor incidência de radiação solar (SOLARGIS, 2018).

Já em relação ao maior índice, um dos pontos de maior radiação solar do nosso país está circundando a cidade de Cajazeiras-PB, onde o índice ultrapassa a marca dos 2100 KWh/m²-dia.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Com a realização de pesquisas na literatura técnica e científica obtivemos conhecimento da capacidade de energia elétrica gerada pelo Brasil, como também futuras demandas associadas ao desenvolvimento do país. Com os dados apurados e confrontados pudemos verificar a necessidade do Brasil em obter formas sustentáveis de geração de energia elétrica como forma de atender às futuras demandas ao qual o desenvolvimento do país deve gerar.

Notamos que o Brasil constitui-se das mais variadas formas de energias sustentáveis (renováveis e limpas), sendo as principais delas de origem eólica, hidrelétrica, fotovoltaica, que proporcionam principalmente a diminuição no índice de geração de poluentes lançados na atmosfera, tendo em vista que o dióxido de carbono (CO2) é um dos piores causadores do efeito estufa. Com mais investimento nas energias sustentáveis o Brasil deve melhorar o patamar de geração, tendo como base a irradiação que o território brasileiro é exposto e a velocidade do vento principalmente no nordeste do país, isso torna essa região uma fonte inigualável de energia.

Com várias usinas fotovoltaicas e eólicas já em funcionamento e outras a serem utilizadas, o estado da Paraíba localizado no nordeste brasileiro, deve se fortalecer em capacidade de geração de energia, isso proporcionalizar uma energia mais barata. Além dessas formas de energias sustentáveis utilizadas no estado da Paraíba, o intuito deste trabalho é disponibilizar informações para uma possível construção de mais uma fonte limpa e renovável de energia. A Torre Solar, geradora de energia heliotérmica, como visto no decorrer deste trabalho se adequa perfeitamente a região do semiárido paraibano mais precisamente da região de Patos até a região de Cajazeiras.

Como um dos pontos de maior radiação solar do nosso país está circundando a cidade de Cajazeiras, onde o índice ultrapassa a marca dos 2100 KWh/m²-dia, essa região se torna soberana a instalação de tal fonte, podendo contribuir para diminuição de fontes não renováveis como a térmica, fonte mais utilizada para suprir a Paraíba da demanda energética. A instalação dessa nova tecnologia segue um processo bem complexo como o mostrado por Castro, L. C. (2016). Demandando grandes áreas para uma geração considerável, a região do semiárido tem a suprir também essa necessidade, pois tem um índice de chuvas baixo e com distribuição irregular, onde há surgimento de áreas de desertificação, essas áreas tornam-se improdutivas qualificadas a receber a tecnologia de Torre Solar.

REFERÊNCIAS

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[1] Mestre, Professor.

[2] Tecnólogo em Automação Industrial.

[3] Graduanda em Tecnologia em Automação Industrial, Estudante.

[4] Especialista em ciências ambientais, Licenciatura plena em Ciências com habilitação em Biologia, técnico em eletromecânica e em edificações, projetista e instalador de sistema fotovoltaico, Técnico de laboratório de indústria.

[5] Graduando em Tecnólogo em Automação Industrial, Estudante.

[6] Mestre, Professor do EBTT.

Enviado: Dezembro, 2018.

Aprovado: Março, 2019.

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