Sistemas Híbridos aplicados na Indústria

Atualmente tem-se verificado um aumento na procura de fontes renováveis de energia. Tal poder-se-á dever a alguns fatores, como o rápido aumento em termos de consumo de energia, a existência limitada de recursos de combustíveis fósseis ou o alto custo dos combustíveis em si. A constante degradação da condição ambiental reforça essa necessidade. Nos últimos tempos, as fontes de energia renováveis têm sido consideradas alternativas às fontes de energia que tem por origem combustíveis fósseis.

O recurso a fontes renováveis

Entende-se por recursos renováveis todos os componentes naturais que podem ser obtidos da Terra (sua atmosfera ou solo, por exemplo). Entre esses recursos está incluído a energia renovável. Os recursos renováveis podem ter uma grande variedade de origens, como por exemplo a luz ou energia solar, vento, biomassa, energia verde, energia das marés ou energia geotérmica.

A aplicação mais comum de energia renovável é a produção de eletricidade. A energia fotovoltaica e a energia eólica são consideradas as fontes de energia renováveis mais promissoras sendo amplamente utilizadas em muitos países para aplicações independentes ou conectadas à rede pública.

Considerando as fontes mencionadas de energia renovável, algumas podem ser usadas diretamente para produzir energia, enquanto outras necessitarão de ser convertidas para esse efeito (produção indireta de eletricidade). Uma das vantagens das instalações de energia renováveis é o fato de que elas geralmente exigem menos manutenção quando comparadas aos geradores tradicionais. Como uma quantidade muito reduzida de resíduos, ou quase nenhuma (casos de dióxido de carbono ou outros poluentes químicos), têm um impacto muito inferior no meio ambiente.

Sistemas Híbridos

O padrão imprevisível por parte de certos recursos naturais requer, contudo, uma utilização combinada de diversas fontes, de modo a disponibilizar aos seus utilizadores um fornecimento de energia ininterrupto e fiável (dificuldades técnicas devido a dados meteorológicos incontroláveis como a flutuação da velocidade do vento e as condições de energia solar entre dia/noite, inverno/verão). Por outras palavras, a energia renovável é geralmente dependente das condições do tempo para a sua fonte de energia. Por exemplo, um hidro gerador depende da chuva para encher represas para fornecer água corrente, uma turbina eólica depende do vento para girar as lâminas de modo a permitir operar a turbina, e uma célula solar depende da posição do sol para coletar calor e produzir eletricidade.

Uma combinação de duas ou mais fontes de energia renováveis é mais eficaz do que um sistema que recorra a uma fonte única em termos de custo, eficiência e fiabilidade. Podemos reduzir facilmente a necessidade de combustíveis fósseis escolhendo adequadamente a combinação de fontes de energia renováveis.

A combinação de duas ou mais fontes de energia, trabalhando conjuntamente para se compensarem umas às outras, é designada como sistema híbrido de energia. A principal vantagem do sistema de energia híbrida é o aprimoramento da fiabilidade do sistema de energia e o custo do sistema. Devido ao fato de que algumas fontes de energia renováveis, como a Solar e Eólica, serem na maioria das vezes intermitentes, estas são frequentemente combinadas com fontes de energia descartáveis como a rede elétrica ou os geradores a diesel. O objetivo é garantir o fornecimento contínuo de energia.

Atualmente, dois tipos de sistemas híbridos estão em operação. Um que combina apenas a produção a partir de energias renováveis, que são ideais para aplicações em sistemas isolados e um segundo tipo que faz uso da produção de geradores a diesel e a gás.

Os sistemas híbridos Solar-Eólico têm como principal vantagem a complementaridade entre si e o fato de serem exclusivamente fontes de energia renováveis. O comportamento da radiação solar ao longo do dia segue um padrão de produção que atinge o seu pico ao meio-dia diminuindo até o entardecer. O gerador eólico, pode servir como complemento ao sistema, nos períodos em que há baixa ou inexistência de radiação solar. Essa característica confere a esse tipo de sistema maior confiança na questão da continuidade da produção elétrica ao longo do tempo.

Os sistemas de energia solar-eólica-diesel/gás ou simplesmente solar-diesel/gás funcionam de forma semelhante ao sistema de energia mencionado anteriormente. Este tipo de sistema tem a vantagem de reduzir o consumo de combustíveis fósseis. Esse tipo de sistema é ainda mais fiável, uma vez que os geradores a diesel ou a gás funcionam como backup, garantindo assim a operação do sistema mesmo em períodos em que as fontes de energia restantes não estão disponíveis ou não são suficientes para garantir a energia necessária.

Figura 1 – Sistemas Híbridos. À esquerda um esquema de um sistema híbrido de solar-eólico e à direita um esquema de um sistema híbrido solar-eólico-diesel/gás

Em todo o mundo, milhares de comunidades e indústrias não são alimentados pela rede elétrica. O meio tradicional de eletrificação nesses locais é o fornecimento a diesel, pois há um custo inicial baixo e há mais pessoas treinadas em operação e manutenção.

Os sistemas híbridos geralmente incluem armazenamento de energia, para que possam fornecer certa quantidade de energia na demanda de energia até que ela seja armazenada. Os sistemas híbridos fornecem um alto nível de segurança energética por meio da combinação de métodos de geração e podem incorporar um sistema de armazenamento (bateria e célula de combustível) ou um pequeno gerador alimentado por combustível fóssil para garantir a segurança máxima e cumprimento do fornecimento.

Os sistemas híbridos de energia exibem menor custo de geração do que aqueles que utilizam apenas uma fonte de energia.

Casos de Estudo

Alguns estudos foram conduzidos relativamente à avaliação técnico-económica de um sistema de energia autónomo híbrido PV/diesel instalado num complexo de bungalows em Elounda, Creta. Em áreas remotas e distantes das redes, a energia elétrica é fornecida por geradores a diesel ou pequenas centrais hidroelétricas. Sob tais circunstâncias, o fornecimento de combustível diesel torna-se tão caro que a geração híbrida diesel/fotovoltaico torna-se competitiva comparativamente à geração a diesel.

O uso de sistemas híbridos de energia nas indústrias está se a tornar tão comum e tão avançado que, em alguns casos, os utilizadores começaram a precisar de projetar e modelar sistemas autónomos com recurso a softwares como o MATLAB/SIMULINK, de modo a avaliar o seu desempenho.

Um caso concreto desse estudo foi considerado para estabelecer uma comparação de um sistema de energia híbrido baseado no módulo fotovoltaico, turbina eólica e gerador a diesel, com um sistema de energia híbrido PV/eólica/bateria. A partir dos resultados da simulação, identificou-se que o sistema híbrido conectado com bateria teve melhor desempenho em alguns aspetos do que o sistema a diesel.

Como mencionado anteriormente, a indústria está em adaptação e há diversos casos já implementados de Sistemas Híbridos. Na Jamaica, por exemplo, está instalado o maior sistema híbrido do mundo. Foi instalado pela empresa WindStream Technologies numa área muito próxima ao litoral e aproveita ventos de velocidade média na ordem de 96,5 km / h.

Com este sistema espera-se uma produção de 106 000 kWh/ano e um retorno do investimento em menos de 4 anos. A unidade deve economizar para a empresa cerca de 2 milhões de dólares em custos de energia num período de 25 anos. O sistema de energia híbrida consiste em 50 SolarMills (produto patenteado com painéis solares e turbinas de eixo vertical), tornando-se a maior instalação do mundo.

A EFACEC desenvolveu igualmente uma Plataforma de Sistemas Híbridos (chamada EFASOLAR3) que tem a capacidade de integrar várias fontes de energia, como diesel, fotovoltaica, rede elétrica, armazenamento de energia, eólica e hídrica. Este sistema pode ser implementado numa instalação existente ou num novo projeto, garantindo uma operação estável e otimizando a energia produzida pela unidade fotovoltaica.

Sistemas Híbridos em Portugal

Um sistema híbrido que combina a energia fotovoltaica flutuante e a geração de energia hidroelétrica foi instalado na barragem de Alto Rabagão, em Portugal (pelo Grupo EDP).

Sistemas de FPV estão a produzir energia em áreas que não são usadas de outra forma. O projeto pioneiro tem capacidade instalada de 220 kW e espera-se poder chegar a produzir 332 MWh.

Figura 2 – Sistema Híbrido do Grupo EDP

Conclusão

Sistemas híbridos e soluções de grande escala combinados com bombas de calor devem ser as principais apostas da indústria solar térmica nos próximos anos.

O estudo do índice ISOL realizado anualmente pela Agência Alemã Soll em 18 dos principais mercados solares térmicos do mundo analisa as respostas de mais de 340 fabricantes e distribuidores de energia solar térmica presentes nesses países, a fim de avaliar o clima de negócios e as expectativas para este mercado. Portugal é um dos mercados analisados. A expectativa é identificar um aumento em termos deste tipo de sistemas, devido ao seu rápido retorno dos investimentos, redução de custos e uso de fontes renováveis comparativamente aos combustíveis.