An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002

 

Utilização de grupos geradores a gasolina para eletrificação rural

 

 

Gilnei Carvalho Ocácia^I; João Carlos Vernetti dos Santos^II; Moacyr Maranghello^III; Bernardo Liberman^III

^IDepartamento Ciências Agrárias. Universidade Luterana do Brasil
^IIDepartamento Engenharia Elétrica. Universidade Luterana do Brasil
^IIIDepartamento Matemática. Universidade Luterana do Brasil

 

 

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RESUMO

A utilização de motores estacionários para acionamento de geradores elétricos para suprimento de energia para residências isolada, enfrenta uma situação crítica: o baixo fator de carga. Isto implica num elevado custo do kWh praticamente inviabilizando seu uso de forma contínua. Neste trabalho, é apresentada uma proposta para viabilização da manutenção do sistema de suprimento energético com maior disponibilidade, diminuindo sensivelmete os custos operacionais, através da utilização de um banco de baterias em paralelo com a carga, de formas que o excedente de capacidade de geração seja utilizado para carga do banco, para que, através de um inversor, este sistema alimente o consumo nos momentos de baixa demanda.
Para satisfazer as necessidades de iluminação, comunicações e refrigeração, utilizando equipamentos eficientes, bastam 50 kWh/mês. É proposto o uso de um gerador a gasolina com potência de 2 kW. Assim, o gerador poderia funcionar apenas uma hora por dia, produzindo 60 kWh/mês, consumindo 24 litros de gasolina, com um excedente de 10 kWh para pequenas cargas ocasionais, com um custo de combustível de R$ 1,90, resultando num custo mensal de R$ 45,60, ou R$ 0,76 por kWh.
No local considerado para este estudo, o custo de levar uma rede elétrica monofilar com retorno por terra, é de R$ 7.000,00, que a taxa de 12%aa, com cinco anos para pagamento, resulta numa prestação de R$ 153,55, enquanto o grupo gerador adquirido nas mesmas condições, demandaria uma parcela mensal de R$ 35,00 que adicionados ao gasto com combustível totaliza R$ 80,60.

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ABSTRACT

The use of stationary engines to drive electric generator for energy supply of isolated residences faces a critical situation: low loading factor. As result, it brings about a high electricity cost of kWh, rending its continuous use unconceivable. Thus, this paper presents a proposal to make economically viable the maintenance of energy supply system, enhancing its availability and highly decreasing its operational costs by the use of a bank of batteries in parallel with the loading. So, the surplus of the generation capacity could be used to load the bank of batteries, supplying the consumption in moments of low demand with a inverter DC/AC.
With the use of efficient appliances, only 50 kWh are enough to satisfy the supply of communication, illumination and refrigeration. Therefore, one proposes the use of a 2kW gas generator. Thus, working just an hour per day, the generator would generate 60kWh/month, consuming 24 liters of gasoline, producing a surplus of 10kWh for small occasional loads. If one considers the cost of fuel R$ 1.90, its cost per month would be R$ 45.60 or else R$ 0.76 per kWh.
If a single phase electric network returning by the ground in the place where this research has been installed, the cost was R$ 7,000.00, with a 12% annual interest rate and having a five year period for its payment, would represent a monthly payment of R$153.55. A generator group acquired in the same conditions would demand monthly payments of R$ 35.00. Along with fuel expenses, the total cost would be R$ 80.60.

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INTRODUÇÃO

PATTERSON (2000) defende a tese de que a eletricidade não é uma "commodity" (mercadoria). O motivo desta afirmação está no fato de que dos seis bilhões de habitantes existentes na Terra, cerca de dois bilhões não tem acesso à eletricidade. Estes só poderão ingressar na modernidade (partindo do pressuposto de que a eletricidade é fundamental para este "desideratum"), produzindo eletricidade a partir de fontes primárias locais, ou seja, de forma descentralizada. As fontes primárias locais mais apropriadas são: hídrica, eólica e solar direta.

Por outro lado, na era da globalizaçào é inadmissível que cerca de um terço da humanidade não disponha de eletricidade. Esta assertiva não se baseia somente em sentimentos humanitários de solidariedade mas tambem tem motivos econômicos, pois o acesso à eletricidade traz consigo a necessidade da aquisição de eletrodomésticos, por exemplo. Situação que interessa muito aos fabricantes destes equipamentos.

O uso das fontes locais renováveis de energia é preconizado de forma geral. No entanto, em muitos locais, devido a dificuldades de emprego das fontes anteriormente citadas, seja por pouca disponibilidade de potencial solar direto ou eólico, seja pela distância entre os pontos de consumo e locais de possíveis aproveitamentos hidrelétricos, ou pelo custo elevado do investimento, a utilização de grupos geradores acionados por motores que utilizam combustíveis derivados do petróleo ou gás, pode ser uma alternativa.

No Rio Grande do Sul, especialmente nas grandes propriedades, tanto nas áreas de cultivo de arroz e soja, como nas áreas de pecuária, têm sido utilizados motores Diesel e motores a gasolina para suprimento de energia elétrica residencial. Em alguns casos, como nas unidades de secagem e armazenamento de arroz situadas junto às lavouras, os grupos geradores Diesel também têm sido utilizados para suprir energia para os equipamentos de transporte e elevação dos grãos.

 

UTILIZAÇÃO DE GRUPOS GERADORES A GASOLINA

Os motores a combustão interna apresentam um consumo específico (g.kWh^-1) variável conforme o percentual de carga solicitado em relação à sua potência nominal (TAYLOR, 1995). Apresentam um consumo mínimo (que corresponde a um rendimento máximo, mas não à máxima potência) a um fator de carga em torno de 85% de sua potência nominal, e valores muito elevados de consumo específico para fatores de carga inferiores a 50%, apresentando rendimento muito baixo.

A curva de carga de uma residência isolada, quando não há nenhuma restrição a forma de uso da energia, apresenta uma grande variabilidade ao longo do dia, com a demanda variando de zero até o carregamento máximo. O fator de carga varia a cada instante e apresenta um valor médio muito baixo. Por esse motivo, o uso de grupos geradores a gasolina para suprir essa carga, apresenta um custo de operação muito elevado, inviabilizando sua utilização de forma contínua.

De acordo com o exposto anteriormente, estes sistemas têm sido utilizados de forma a atender o consumo apenas em determinados horários. Basicamente, atuam vinculados às necessidades de iluminação, desde o escurecer, até um determinado horário da noite e, eventualmente, em um outro período, para atendimento de alguma carga específica e ocasional.

Essa intermitência, não permite, por exemplo, a utilização de refrigeradores acionados por motores elétricos. Nesses locais, quando existe refrigerador, este é acionado pela queima de GLP.

 

O MODELO

Da análise de sistemas autônomos que utilizam energia eólica (OCÁCIA e CÔNSUL, 1999) e energia solar direta através de painéis fotovoltaicos (SANTOS, 1998), com armazenamento da energia em bancos de baterias, foi concebido um sistema análogo, porém tendo como energético a gasolina.

O sistema é formado por um grupo gerador a gasolina, controlador de carga, baterias e inversor cc/ca.

A premissa básica, consiste em fazer com que o gerador atue um pequeno número de horas por dia, com um fator de carga elevado, com a demanda sendo composta pelas cargas que estão sendo empregadas no momento, mais um adicional que é utilizado para carregar as baterias. A carga das baterias deve suprir a demanda nos períodos em que o gerador não está atuando.

Inicialmente, é realizada uma análise das cargas onde são consideradas suas características e flexibilidade em relação ao horário de utilização para que seja estabelecida a demanda. A tendência é fazer-se o gerador funcionar entre às 18 e às 21 horas (ou, entre às 19 e às 22 horas, durante o período do chamado "horário de verão"), como são utilizados em muitos casos, atualmente, pois nesse período há, naturalmente, uma concentração de demandas residenciais, como iluminação, utilização de televisor, atividades na cozinha, etc.

No período em que o gerador estiver atuando devem ser colocadas, especialmente, as cargas caracterizadas pelo uso de motores elétricos, pois isso implicará numa menor necessidade de capacidade do inversor cc/ca durante o período em que a energia é suprida pelas baterias. Podem ser agregadas, por exemplo, cargas como a máquina de lavar roupas.

A carga que apresenta maiores custos em relação ao banco de baterias, controlador e inversor, é a de refrigeração, pois embora muitos refrigeradores domésticos tenham sido eficientizados quanto ao consumo, apresentam uma demanda elevada na partida pois foram concebidos para atuarem acionados por energia elétrica proveniente de rede de um sistema convencional, que é considerado como uma fonte "infinita"

 

ANÁLISE DE CASO

O Núcleo de Energia do Programa de Pós-Graduação em Energia, Ambiente e Materiais e o curso de Engenharia Agrícola da ULBRA, vem desenvolvendo diversos trabalhos referentes a energização rural no RS, nas regiões da serra e dos campos de cima da serra, que serviram de base para o sistema em análise.

Em primeiro lugar foi estabelecido que as cargas básicas seriam as de iluminação, comunicações e refrigeração. A iluminação realizada com a utilização de lâmpadas compactas, de 15 W; comunicações, composta por televisor e rádio (as rádios locais desempenham um importante papel nas comunicações entre os moradores das áreas rurais e destes, com os da cidade); e refrigeração com utilização de um refrigerador de 290L, padrão A da ANEEL, e de " freezer", para uso ocasional quando do abate de um porco, ovelha ou rês.

As cargas complementares, usuais, são as compostas por máquina de lavar roupa e pequenos eletrodomésticos (liquidificador, batedeira, etc.). Além do " freezer", existem cargas ocasionais constituídas por ferramentas elétricas de baixa demanda (furadeiras, lixadeiras, etc.)

Para a situação considerada como de rotina, foi estimado um consumo mensal próximo aos 50 kWh, onde o refrigerador é responsável por 65% do consumo, já considerado o rendimento do sistema de armazenamento e inversão.

Neste caso, foi tomado como referência um grupo gerador de 2 kW. Este valor foi considerado como ponto de partida para limitação da carga máxima e determinação do número de horas de funcionamento da geração.

A demanda máxima determinada pelas carga rotineiras, à noite, é de 60 W para iluminação, 25 W para o televisor e 150 W para o refrigerador. Há um excedente próximo a 1,75 kW para acionamento de outras cargas e/ou para carregar as baterias.

O tipo de máquina de lavar roupa empregado, não contempla a operação de centrifugação. Os modelos que apresentam maior demanda são de 300 W. Já os "freezers", demandam até 400W.

Com estas considerações, verifica-se que o conjunto de todas as demandas, perfazem 935 W, havendo, neste caso, uma disponibilidade de geração de 1065 W, que sendo totalmente utilizada, fará com que o sistema atue com fator de carga (equação 1) igual a 1 (ver tabela 1).

 

 

Onde:

FC é o fator de carga.

C é a carga, W.

P_N é a potência nominal, W

Na tabela 1, são apresentadas oito situações de carga, com seus respectivos fatores de potência. Em todas elas, é considerada uma potência para carga das baterias de 1065 W mais as seguintes cargas:

1. Situação A - nenhuma carga além da carga das baterias.
2. Situação B - lâmpadas e televisor.
3. Situação C - lâmpadas, televisor e refrigerador.
4. Situação D - lâmpadas, televisor e máquina de lavar roupa.
5. Situação E -lâmpadas, televisor e "frezer".
6. Situação F - lâmpadas, televisor, refrigerador e máquina de lavar roupa.
7. Situação G - lâmpadas, televisor, refrigerador e " freezer".
8. Situação H - lâmpadas, televisor, refrigerador, máquina de lavar roupa e "freezer".

A partir da situação H, considerando-se a disponibilidade de 1065W como limite para carregamento das baterias, considerada a tensão de referência 12 V, a corrente média, equação 2, para carregar as baterias será de 88,8 A.

Onde:

I é a corrente, A.

P é a potência, W.

ε á tensão, V

Adotando-se um valor limite de corrente de carga como 20% da capacidade das baterias, para preservação de sua vida útil, chega-se a capacidade mínima do banco de baterias de 443,8 Ah. Utilizando-se um banco constituído por quatro baterias, é necessário uma capacidade de cada unidade de 111 Ah. A unidade comercial com capacidade imediatamente superior a esta, é de 115 Ah, determinando, então, uma capacidade total do banco de baterias de 460 Ah.

O fator de carga da instalação varia conforme a composição da carga (tabela 1), desde um valor mínimo igual a 0,53 (situação A) quando a carga corresponde apenas a carga das baterias até um fator de carga igual a 1 quando todas as cargas estiverem funcionando (situação H). Esta última situação ocorrerá eventualmente, por períodos curtos de tempo, pois exige a simultaneidade de funcionamento da máquina de lavar roupa, na função lavar (não na função molho), e dos compressores, do refrigerador e do "freezer". É importante que seja assim pois o gerador não deve atuar por um intervalo de tempo muito grande com sua capacidade máxima, para preservação de sua vida útil. As situações mais corriqueiras de carga do gerador são as B e C.

Na situação B, a demanda é composta por iluminação, televisor e carga das bateriais, enquanto na situação C, agrega-se a estas cargas a referente ao refrigerador. Assim, os fatores de potência de maior ocorrência, apresentam, respectivamente, os valores 0,58 e 0,65.

Quando o sistema atua apenas com essas cargas, apresenta uma demanda de 1670 Wh/dia. Com o carregamento das baterias na base de 1065Wh.h^-1, determina-se pela equação 3, o número de horas necessário de atuação do gerador, como 1,47 horas por dia.

Onde:

E_d é o consumo diário, Wh.

E_h é o consumo em uma hora, Wh.h^-1.

Pc é a carga das baterias, Wh.h^-1.

T é o período diário de funcionamento do grupo gerador, h.

A capacidade de suprimento a partir das baterias, considerando uma profundidade de descarga de 70%, é de 3864 Wh ( equação 4).

Onde:

P_d é a profundidade de descarga, Wh.

n é o número de baterias.

ε é a tensão das baterias, V.

I é a capacidade nominal de cada bateria, Ah

Com o funcionamento do gerador durante 1,47 horas por dia, há um consumo de 1568 Wh a partir do banco de baterias, que corresponde a apenas 40,6 % de sua capacidade. Isto é, existe uma autonomia equivalente a dois dias e meio quando o banco de baterias está com plena carga De outro modo, 1568 Wh, com uma tensão de 12 V nas baterias, corresponde a uma corrente de 130,7 Ah, que corresponde a uma profundidade de descarga de apenas 28,4 %.

Embora este valor de profundidade de descarga sinalize a possibilidade de um banco de baterias de menor capacidade, isto não é viabilizado pela restrição imposta pela corrente de carga das baterias, bem como pela corrente demandada na partida do compressor do refrigerador que atinge valores superiores a 80 A, entre as baterias e o inversor cc/ca.

O uso da máquina de lavar roupa, correspondente a hipótese C, sempre deve ocorrer quando o gerador estiver atuando. Considerado-se as condições referentes a hipótese B, o período disponível, por dia, para sua utilização é de apenas uma hora e meia. Assim, esta operação pode ser realizada apenas uma vez ao dia, ou, no máximo, duas, dependendo do tempo dispensado para que a roupa fique de molho. Isto causa alguma dificuldade nos períodos em que ocorrem vários dias chuvosos consecutivamente, havendo necessidade no dia subsequente a este período de uma alteração nas condições normais de uso do sistema.

Para esta situação existem três possibilidades:

□ quando o grupo gerador não estiver atuando, desligar o refrigerador, para, então acionar a máquina de lavar roupas;

□ aumentar o tempo de funcionamento do grupo gerador; e,

□ aumentar a capacidade do inversor.

A primeira alternativa, consiste em administrar o sistema tendo o cuidado de alternar períodos de funcionamento entre os dois equipamentos para que não haja risco de deterioração de produtos que demandem refrigeração.

A segunda alternativa, implica em um gasto maior de combustível, que é agravado pelo fato de que normalmente, nessa situação, o banco de baterias atinge plena carga, portanto, após algum tempo de funcionamento do sistema, não apresenta mais capacidade de absorver a energia excedente, fazendo com que o sistema atue com um fator de carga muito baixo.

A terceira alternativa, implica na necessidade de utilização de um inversor de maior capacidade, o que significa um maior investimento. Quando o sistema já contempla a utilização de "freezer", certamente a capacidade do inversor não constitui um problema.

O inversor e a partida dos motores

Um componente muito importante do sistema é o inversor cc/ca. Para as cargas comumente empregadas, que perfazem 235 W, é necessário o emprego de um inversor com capacidade de 1000 W, devido a demanda de partida do motor que aciona o compressor do refrigerador. Os fabricantes de equipamentos para utilização em sistemas isolados de suprimento de energia, conhecendo bem este problema, desenvolveram inversores que apresentam faixa de melhor rendimento quando estão submetidos a cargas entre 15 e 25 % de sua capacidade nominal (CÔNSUL, 2002). Este equipamento apresenta preços da ordem de R$ 1,45/W, portanto está sendo empregado um inversor que apresenta um preço de R$ 1.450,00. No caso de utilização de "freezer", com manutenção do refrigerador, é necessário o emprego de um inversor de 2 a 2,5 kW, que representa um investimento de R$ 2.900,00 a R$ 3.625,00.

O pico de demanda acontece devido a alta corrente de partida requerida pelos motores de indução que acionam os compressores dos refrigeradores.

Neste caso, foi utilizado um refrigerador de altíssima eficiência (o mais eficiente disponível no mercado gaúcho no ano 2000). No entanto, a corrente de partida atinge um valor quase dez vezes maior que a corrente normal de funcionamento que é de 1,35 A, a 110 V, devido ao acionamento de uma bobina de partida, que é desconectada por um relé assim que o motor atinge a rotação nominal. Com a correção do fator de potência sobre este enrolamento, o valor máximo da corrente de partida, em 110 V, atingiu 8,5 A.

Considerações finais

Para satisfazer as necessidades de iluminação, comunicações e refrigeração, utilizando equipamentos eficientes, basta uma produção de energia de 50 kWh/mês,

Para uma situação otimizada, considerando um excedente de 10 kWh disponibilizado para as cargas ocasionais, é suficiente o emprego de um gerador a gasolina com potência de 2 kW. Este gerador poderia funcionar apenas uma hora por dia, produzindo 60 kWh/mês, consumindo 24 litros de gasolina, com um custo de combustível de R$ 1,90, resultando num custo mensal de R$ 45,60, ou R$ 0,76 por kWh.

Uma comparação interessante pode ser realizada com o valor orçado por empresas de eletrificação rural para implantar uma rede elétrica, monofilar, com retorno por terra, para eletrificação das propriedades no local considerado para este estudo. O menor valor, para atender 30 propriedades, foi de R$ 7.000,00 por propriedade, este investimento, a uma taxa de 12%aa, com cinco anos para pagamento, resulta numa prestação de R$ 153,55, enquanto o grupo gerador adquirido nas mesmas condições, demandaria uma parcela mensal de R$ 35,00, que adicionados ao gasto com combustível totaliza R$ 80,60.

Algumas medidas de racionalização, através de esclarecimentos e treinamento dos usuários, podem reduzir os gastos com energia. As principais atitudes, naturalmente, são sobre o refrigerador que é o principal consumidor de energia do sistema. Cabe destacar uma medida simples, mas de muito impacto, que é a remoção do refrigerador da cozinha - uma peça quente, pois durante a maior parte do ano é mantido um fogão a lenha, com fogo quase que permanente - para outra peça mais afastada, que não sofra os efeitos do fogão. Isto reduz em muito o consumo de energia, pois nessa região, em muitos meses, as temperaturas à noite ficam abaixo de zero.

 

AGRADECIMENTOS

A Rio Grande Energia (RGE) que financiou o projeto "Desenvolvimento de metodologia para seleção de sistemas fotovoltaicos e eólicos para eletrificação rural residencial", no âmbito do qual foi desenvolvido o trabalho aqui apresentado.

 

BIBLIOGRAFIA

[1] PATTERSON, Waltt. Transforming Electricity. Editora Earthscan. 2000.

[2] TAYLOR, C. F. The Internal Combustion Engine in Theory and Practice. McGraw Hill. 1995.

[3] OCÁCIA, G. e CONSUL, R. A Aerogeradores de pequeno porte (400W a 1000W). III FOREMA (Fórum Regional de Energia e Meio Ambiente), Canoas, 1999.

[4] SANTOS, J. C. VERNETTI DOS. Sistema fotovoltaico para suprimento de energia elétrica para domicílios rurais do RGS: monitoramento e simulação. Anais do IV Encontro do Fórum Permanente de Energias Renováveis, promovido pelo Ministério de Ciência e Tecnologia. Recife, 1998.

[5] CONSUL, R. A Utilização de energia eólica para eletrificação rural residencial em locais com baixas velocidades de vento. Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Energia, Ambiente e Materiais, da ULBRA. Canoas, 2002.