Definição de Limites de Integração de Micro- Geração nas … · Resumo Nas últimas décadas...

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Definio de Limites de Integrao de Micro-Gerao nas Redes de Baixa Tenso

Srgio Lima Barroso Pereira

VERSO FINAL

Dissertao realizada no mbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotcnica e de Computadores

Major Energia

Orientador: Prof. Doutor Carlos Coelho Leal Monteiro Moreira Co-orientador: Pedro Miguel Pousada da Rocha Almeida

2010

ii

Srgio Pereira, 2010

iv

Resumo

Nas ltimas dcadas os Sistemas Elctricos de Energia evoluram para um paradigma de

operao mais descentralizado, o que tem contribudo para a crescente integrao de

Produo Distribuda (PD) no sistema. Paralelamente integrao de PD nas redes de mdia e

alta tenso, o aparecimento de novas tecnologias de gerao em pequena escala, usualmente

designadas por micro-geradores, destinados a serem ligados sobre as redes de baixa tenso,

tem despertado especial ateno. Nesse sentido, de referir que em Portugal o Decreto-Lei

n 363/2007 estabelece as bases necessrias para facilitar o acesso a estas tecnologias por

todos os consumidores.

De entre outros aspectos, a ligao de PD e micro-gerao sobre as redes de distribuio

conduz a diversos efeitos que podem condicionar as metas crescentes que se pretendem

atingir em termos da ligao deste tipo de unidades rede. Um dos aspectos essenciais a ter

em considerao relaciona-se com as alteraes que podem ser verificadas ao nvel dos perfis

de tenso. No que se refere s redes de baixa tenso onde a micro-gerao integrada, estas

caracterizam-se por possurem canalizaes onde predomina a resistncia sobre a reactncia.

Consequentemente, os nveis crescentes de injeco de potncia proveniente de unidades de

micro-gerao conduzem a impactos significativos sobre os perfis de tenso da prpria rede

de baixa tenso, podendo limitar de forma significativa os nveis de integrao passveis de

serem atingidos. Nesse sentido, e tendo em considerao um conjunto de redes de baixa

tenso que reflectem alguns dos aspectos essenciais da generalidade das redes de baixa

tenso a nvel nacional, foi desenvolvido um estudo detalhado do comportamento do perfil de

tenso perante nveis crescentes de integrao de unidades de micro-gerao sobre essas

redes. Esse estudo tem por objectivo obter uma percepo do comportamento dos perfis de

tenso nas redes de baixa tenso em diversas situaes, e nomeadamente naquelas que so

definidas como limites mximos de integrao de unidades de micro-gerao, de acordo com

o estabelecido no Decreto-Lei n 363/2007.

Posteriormente caracterizao do comportamento dos perfis de tenso das redes de

baixa tenso em resultado da integrao de unidades de micro-gerao, foi proposta uma

estratgia de controlo dessas unidades, com o objectivo de permitir o aumento da integrao

vi

e sem conduzir degradao dos perfis de tenso. A estratgia baseia-se na identificao de

uma regra de controlo local (utilizando apenas informao disponvel aos terminais da

unidade de micro-gerao), responsvel pela limitao temporria da quantidade de potncia

que cada micro-gerador pode injectar na rede, caso a sua tenso terminal ultrapasse o valor

regulamentarmente admissvel.

Abstract

In the last decades the Electrical Power Systems have been evolving to more

decentralized operation paradigm, which has contributed to the increasing integration of

Distributed Generation (DG) in the system. Following the integration of DG in medium and

high voltage networks, the emergence of new small scale generation technologies, usually

referred to as micro-generators, intended to be connected at the low voltage networks, has

been attracting special attention of several entities. In this sense, it is important to mention

that in Portugal the Decree-Law n 363/2007 laid the groundwork necessary to facilitate the

access to these technologies by all the consumers.

Among other issues, the connection of DG and micro-generation to distribution networks

leads to several effects that might influence achieving the increasing targets regarding the

connection of such units to the network. One key aspect to consider is related to the changes

that can be observed in network voltage profiles. With regard to low voltage networks where

micro-generation units are connected, they are characterized by having lines where

resistance dominates over the reactance. Consequently, increasing levels of power injection

from micro-generation units, lead to significant impacts on the voltage profiles of the low

voltage grid, which may significantly limit the levels of integration that can be achieved.

Taking into account a number of low voltage networks that reflect some of the essential

aspects of most of the Portuguese low voltage networks, a detailed study concerning the

behavior of the voltage profile in low voltage networks as a result of micro-generation

integration was developed. This study aims to obtain a perception of the behavior of voltage

profiles in low voltage networks in various situations, including those that are defined in the

Decree-Law n 363/2007.

After the characterization of the voltage profiles of the referred low voltage following

micro-generation integration, it was proposed a control strategy of these units in order to

allow increasing integration levels and without leading to the degradation of voltage profiles.

The propose control strategy is based on the identification of a local control rule (using only

information available at each micro-generation unit), responsible for the limitation of the

viii

amount of power that each micro-generator can inject into the network, if its terminal

voltage exceeds the permissible value.

Agradecimentos

Em primeiro lugar gostaria de enderear um agradecimento muito especial ao meu

orientador e responsvel pelo tema desta dissertao, o Professor Doutor Carlos Coelho Leal

Monteiro Moreira, bem como ao meu co-orientador, o investigador Pedro Almeida do INESC

Porto, por toda a pacincia, disponibilidade e conhecimentos que me transmitiram para a

realizao deste trabalho.

Gostaria de enderear um agradecimento muito especial aos meus pais, por todo o apoio,

compreenso, pacincia e incentivo que me deram ao longo da minha vida, sem eles nada

teria sido possvel.

Gostaria tambm de agradecer minha restante famlia (irm, primos, tios e avs), todo

o amor e amizade que sempre me transmitiram.

Gostaria tambm de enderear um agradecimento muito especial minha namorada

Cristiana por toda a pacincia, apoio, amor e amizade que demonstrou ter nesta fase decisiva

e especial da minha vida.

Por ltimo, gostaria de agradecer a todos os meus colegas e amigos sem excepo, a

amizade companheirismo e apoio dado sempre que necessitei.

A todos um MUITO OBRIGADO!

x

ndice

Resumo ......................................................................................... v

Abstract ....................................................................................... vii

Agradecimentos .............................................................................. ix

ndice .......................................................................................... xi

Lista de figuras ............................................................................... xv

Lista de tabelas ............................................................................. xix

Abreviaturas e Smbolos................................................................... xxi

Captulo 1 ..................................................................................... 23

Introduo ....................................................................................................... 23

1.1 - Motivaes da Dissertao ............................................................................. 23

1.2 - Objectivos da Dissertao ............................................................................. 25

1.3 - Estrutura da Dissertao ............................................................................... 26

Captulo 2 ..................................................................................... 29

Integrao de unidades de micro-gerao nas redes de distribuio................................. 29

2.1 Introduo ................................................................................................ 29

2.2 Conceito Produtor/Consumidor ....................................................................... 32

2.3 Situao Portuguesa .................................................................................... 34

2.4 Situao Internacional.................................................................................. 39

2.5 Tecnologias de micro-gerao ........................................................................ 42 2.5.1 Clula de combustvel ............................................................................ 43 2.5.2 Micro-turbinas...................................................................................... 44 2.5.3 Painis Solares Fotovoltaicos .................................................................... 48 2.5.4 Pequenas e micro-turbinas-elicas ............................................................. 49

2.6 Impacto da produo distribuda nas redes elctricas ........................................... 51 2.6.1 Esquemas de proteco .......................................................................... 52 2.6.2 Qualidade da energia fornecida ................................................................ 52 2.6.3 Estabilidade ........................................................................................ 53 2.6.4 Operao da rede ................................................................................. 54

xii

2.6.5 Perfil de Tenso .................................................................................... 54

2.7 Sistemas avanados para integrao de micro-gerao nas redes elctricas ................. 58 2.7.1 Micro redes e multi - microredes .............................................................. 59 2.7.2 Projecto InovGrid .................................................................................. 65 2.7.3 - O projecto InovGrid e o Controlo Coordenado de Redes de Distribuio ................ 70

2.8 Sumrio e principais concluses....................................................................... 71

Captulo 3 ..................................................................................... 73

Integrao de micro-gerao em redes de Baixa Tenso: O problema do controlo de tenso ..................................................................................................... 73

3.1 Introduo................................................................................................. 73

3.2 Caracterizao das redes em estudo ................................................................. 75 3.2.1 Rede de 50 kVA ..................................................................................... 75 3.2.2 Rede de 100 kVA ................................................................................... 75 3.2.3 Rede de 250 kVA ................................................................................... 76 3.2.4 Rede de 400 kVA ................................................................................... 76 3.2.5 Rede de 630 kVA ................................................................................... 76

3.3 Metodologia adoptada para o estudo................................................................. 77 3.3.1 - Estudo para as potncias contratadas nos locais mais distantes .......................... 81 3.3.2 - Estudo para as potncias contratadas nos locais mais prximos .......................... 82 3.3.3 - Estudo Trifsico .................................................................................... 83

3.4 Sumrio e principais concluses....................................................................... 88

Captulo 4 ..................................................................................... 89

Controlo descentralizado de micro-gerao ............................................................... 89

4.1 - Introduo................................................................................................. 89

4.2 - Modelizao de uma rede de BT com micro-gerao do tipo solar fotovoltaico ............. 91 4.2.1 Rede de distribuio pblica ..................................................................... 91 4.2.2 Canalizao da rede BT ........................................................................... 91 4.2.3 Cargas ................................................................................................ 93 4.2.4 Painel solar fotovoltaico .......................................................................... 93

4.3 Definio da estratgia usada para controlo da Tenso .......................................... 97

4.4 Implementao em MatLab/Simulink .......................................................... 100

4.5 Sumrio e breves concluses ........................................................................ 103

Captulo 5 ................................................................................... 105

Resultados ..................................................................................................... 105

5.2 Limites de integrao de micro-gerao na rede de BT ........................................ 106 5.2.1- Redes equilibradas................................................................................ 106 5.2.2 Estudo trifsico ................................................................................... 118

5.3 Controlo descentralizado de micro-gerao controlo local .................................. 123

5.4 Sumrio e breves concluses ........................................................................ 127

Captulo 6 ................................................................................... 129

Concluso ...................................................................................................... 129

6.1 - Principais contribuies da dissertao ............................................................ 129

6.2 - Desenvolvimentos futuros ............................................................................ 131

Referncias ................................................................................. 133

Anexo A ..................................................................................... 139

Tabelas de caracterizao das redes em estudo ........................................................ 139

Anexo B...................................................................................... 153

Rede de 100 kVA e 400 kVA usadas para formulao do algoritmo presente no estudo trifsico ................................................................................................. 153

xiv

Lista de figuras

Figura 2.1 Organizao do sistema elctrico convencional......................................... 30

Figura 2.2 Estrutura do SEN [12]. ....................................................................... 34

Figura 2.3 Diagrama esquemtico bsico de uma unidade de clula de combustvel [4]. ... 44

Figura 2.4 Sistema de uma micro-turbina com veio simples [4]. ................................. 45

Figura 2.5 Funcionamento de um painel FV [24]. ................................................... 48

Figura 2.6 Agrupamento de clulas solares para formar mdulos (Painis FV) ou arrays [24]. ..................................................................................................... 49

Figura 2.7 Turbinas elicas de eixo vertical (esquerda) e de eixo horizontal (direita) ....... 51

Figura 2.8 Perfil de tenso de uma rede radial. ..................................................... 55

Figura 2.9 Representao do circuito do sistema rede carga - painel FV [30] ............... 56

Figura 2.10 Arquitectura de uma micro-rede [4]. ................................................... 62

Figura 2.11 Arquitectura de controlo e gesto de uma multi-micro-rede [35] ................ 62

Figura 2.12 Exemplo do sistema ........................................................................ 64

Figura 2.13 mbito do Projecto InovGrid [39] ....................................................... 67

Figura 2.14 Arquitectura de referncia InovGrid [6] ............................................... 68

Figura 2.15 Arquitectura de controlo e gesto da rede de distribuio ......................... 70

Figura 3.1 Exemplo do sistema ......................................................................... 78

Figura 3.2 Numerao dos ramos para a rede de distribuio radial [43]. ..................... 84

Figura 3.3 Seco de linha de um sistema trifsico com neutro [44] ............................ 87

Figura 4.1 - Modelo da rede de servio pblico ....................................................... 91

Figura 4.2 a) bloco representativo de uma linha, b) impedncias de fase e neutro da linha (MatLab/Simulink).......................................................................... 92

Figura 4.3 Modelo das cargas monofsicas e trifsicas ............................................. 93

xvi

Figura 4.4 Curva caracterstica (I-V) e (P-V) de uma clula solar [4] ........................... 94

Figura 4.5 Influncia da temperatura da clula na curva caracterstica I-V [4] ............... 94

Figura 4.6 Influncia da radiao solar da clula na curva caracterstica I-V [4] ............. 95

Figura 4.7 Configurao de um sistema fotovoltaico ............................................... 95

Figura 4.8 Sistema de controlo do inversor de um painel solar fotovoltaico................... 96

Figura 4.9 Visualizao grfica do modelo de controlo de tenso ............................... 98

Figura 4.10 Diagrama de blocos das malhas proporcional e integral ............................ 99

Figura 4.11 Implementao do sistema de controlo de tenso na rede de 100 kVA (Feeder 3) ............................................................................................. 100

Figura 4.12 a) bloco representativo do controlo de tenso, b) modelizao do controlo de tenso .............................................................................................. 101

Figura 4.13 a) bloco representativo do mdulo FV, b) contedo do bloco representativo do mdulo FV (inversor) ............................................................................ 102

Figura 5.1 Potncias contratadas nos locais mais distantes da rede de 50 kVA (caso 1).... 106

Figura 5.2 Potncias contratadas nos locais mais distantes da rede de 100 kVA (caso 1) .. 107




Figura 5.6 Potncias contratadas nos locais mais distantes da rede de 50 kVA (caso 2).... 109


Figura 5.8 Potncias contratadas nos locais mais distantes da rede de 250 kVA (caso2) ... 110


Figura 5.10 Potncias contratadas nos locais mais distantes da rede de 630 kVA (caso 2) 111

Figura 5.11 Potncias contratadas nos locais mais prximos da rede de 50 kVA (caso 1) .. 112

Figura 5.12 Potncias contratadas nos locais mais prximos da rede de 100 kVA (caso 1) 113




Figura 5.16 Potncias contratadas nos locais mais prximos da rede de 50 kVA (caso 2) .. 115













Figura 5.29 Comparao da tenso por fase em todos os ns e sem controlo local ........ 123

Figura 5.30 Comparao das tenses sem actuao do controlo (grficos da esquerda) com as tenses aquando a actuao da malha proporcional (grficos da direita) ...... 124

Figura 5.31 Comparao das tenses com a actuao do controlo proporcional (grficos da esquerda) com as tenses com a actuao do controlo integral (grficos da direita) ................................................................................................ 125

Figura 5.32 Comparao entre as potncias disponveis nos painis FV (grficos da esquerda) com as potncias injectadas na rede (grficos da direita) ..................... 126

Figura 5.33 Comparao entre as potncias disponveis nos painis FV (grficos da esquerda) com as potncias injectadas na rede (grficos da direita) ..................... 126

Figura B-1 Esquema radial da rede de 100 kVA .................................................... 154

Figura B-2 Esquema radial da rede de 400 kVA .................................................... 155

xviii

Lista de tabelas

Tabela 2.1 Fabricantes e caractersticas dos seus produtos [20].................................. 46

Tabela 2.2 - Vantagens e desvantagens associadas s configuraes das Micro-turbinas [20] ...................................................................................................... 47

Tabela 3.1 Descrio dos cenrios realizados em cada estudo .................................... 80

Tabela 3.2 - Barramentos mais distantes para cada rede no estudo das potncias contratadas (caso 1) .................................................................................. 81

Tabela 3.3 - Barramentos mais distantes para cada rede no estudo das potncias contratadas (caso 2) .................................................................................. 82

Tabela 3.4 - Barramentos mais prximos para cada rede no estudo das potncias contratadas (caso 1) .................................................................................. 83

Tabela 3.5 - Barramentos mais prximos para cada rede no estudo das potncias contratadas (caso 2) .................................................................................. 83

Tabela A-1 Barramentos de carga da rede de 50 kVA ............................................. 139

Tabela A-2 Nmero de clientes por barramento na rede de 50 kVA e potncia contratada associada.............................................................................................. 140

Tabela A-3 Barramentos de carga da rede de 100 kVA ............................................ 140

Tabela A-4 - Nmero de clientes por barramento na rede de 100 kVA e potncia contratada associada ............................................................................... 141

Tabela A-5 - Barramentos de carga da rede de 250 kVA ............................................ 142






xx

Abreviaturas e Smbolos

Lista de abreviaturas

AT Alta Tenso

AMM Automated Meter Management

AMR Automated Meter Reading

BT Baixa Tenso

CAMC Central Autonomous Management Controller

CO2 Dixido de Carbono

DL Decreto-lei

DMS Distributed Management System

DSM Demand Side Management

DSO Distributed System Operator

DTC Distribution Transformer Controller

EB Energy Box

FER Fontes de Energias Renovveis

FV Fotovoltaico

GEE Gases com Efeito de Estufa

HAN Home Area Network

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

LAN Local Area Network

LC Load Controller

MC Micro-source Controller

MG Micro-Gerao

MGCC MicroGrid Central Controller

MPP Maximum Power Point

MPPT Maximum Power Point Tracker

MR Micro-Rede

MT Mdia Tenso

xxii

OLTC On Load Tap Changer

PD Produo Dispersa

PTD Posto de Transformao de Distribuio

REN Rede Elctrica Nacional

RESP Rede Elctrica de Servio Pblico

rpm rotaes por minuto

SACS Substation Automation and Control System

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

SEE Sistema Elctrico de Energia

SEN Sistema Elctrico Nacional

SRM Sistema de Registo da Micro-gerao

TAN Transformer Area Network

UE Unio Europeia

VSI Voltage Source Inverter

WAN Wide Area Network

Lista de smbolos

Frequncia angular

ngulo

Captulo 1

Introduo

1.1 - Motivaes da Dissertao

O Sistema Elctrico de Energia (SEE) desenvolveu-se nos ltimos anos, com base numa

estrutura que consistia na produo centralizada de energia, que era levada at ao

consumidor final atravs de extensas redes de transporte e distribuio. Para tal, estas

unidades utilizam na sua grande maioria fontes de energias no renovveis (combustveis

fsseis), para a produo de energia elctrica. Isto levou a que se criasse uma grande

dependncia em relao a este tipo de combustveis. Contudo, a limitao existente destes

recursos, aliado ao consumo crescente a nvel energtico, torna urgente a adopo de

estratgias adequadas. Alm disso, importa tambm dizer que as alteraes climticas so

vistas como sendo uma das mais srias ameaas ambientais a nvel global, com forte impacto

nos ecossistemas, qualidade da gua, sade humana e nas actividades econmicas [1].

Devido a tudo isto, comea-se a verificar uma mudana a nvel do paradigma energtico.

As sociedades comeam a adoptar formas alternativas de produo de energia elctrica cada

vez mais limpas e mais eficientes, como por exemplo a adopo de unidades produtoras

descentralizadas [2]. atravs de incentivos por parte dos governos de todo o mundo para a

integrao deste tipo de unidades, que ser possvel alcanar as metas ambiciosas definidas

pela Unio Europeia (UE) [3]:

20% de aumento na eficincia energtica at 2020

20% de reduo das emisses dos gases com efeito de estufa (GEE)

Quota de 20% de energias renovveis no consumo energtico global da UE at

2020

24 Introduo

24

Com esta mudana no paradigma energtico, e devido ao desenvolvimento das

tecnologias de produo dispersa, foi possvel criar unidades pequenas, com a possibilidade

de serem ligadas directamente sobre a Baixa Tenso (BT). Surge assim o conceito de micro-

gerao, isto , a produo de energia elctrica atravs de instalaes de pequena escala

usando fontes renovveis (micro-elicas, painis solares fotovoltaicos (FV), mini e micro-

hdricas) ou processos de micro-co-gerao de elevada eficincia (utilizando micro-turbinas e

clulas de combustvel). Esta mudana do paradigma convencional, caracterizado pela

gerao centralizada, pode oferecer vantagens adicionais para os operadores do sistema [4]:

Adiamento de investimentos nos sistemas de transmisso e de distribuio

Reduo das perdas no sistema de distribuio

Tendo em considerao os benefcios da integrao destas unidades, nos ltimos anos

verificou-se um crescimento acentuado da utilizao da mesma, o que pode traduzir-se na

ocorrncia de alguns impactos no aconselhveis nas redes de distribuio. Verifica-se assim

a necessidade de criao de sistemas avanados para gesto da integrao em larga escala de

unidades de micro-gerao. Exemplos desses sistemas so os que surgem no mbito de um

projecto Europeu Microgrids (MicroGrids: Large scale integration of MicroGeneration to Low

Voltage Grids), e tornam possvel a explorao da capacidade de micro-gerao e cargas ao

nvel das redes de BT, permitido a criao do conceito de redes de BT activas, com um

grande nmero de benefcios para o operador da rede de distribuio e para o consumidor

final [5]. Em Portugal, esto a ser dados alguns passos nesse sentido, em especial atravs dos

desenvolvimentos que recentemente tm vindo a ter lugar no mbito do projecto InovGrid

[6]. Este projecto surgiu como resposta necessidade de introduzir mais inteligncia na rede

de forma a permitir gerir e controlar de forma mais abrangente a rede de distribuio,

incluindo a integrao em larga escala de micro-gerao.

Assim, atravs da adopo de estratgias activas de gesto de redes de distribuio com

elevados nveis de integrao de produo descentralizada, pretende-se aumentar a

eficincia e fiabilidade dessas mesmas redes, transformando-as de forma a ser possvel o

fornecimento de um servio interactivo (consumidor/operador), bem como remover grande

parte das barreiras que se colocam integrao em larga escala das energias renovveis [4].

Objectivos da Dissertao 25

25

1.2 - Objectivos da Dissertao

Os recentes desenvolvimentos a nvel de tecnologias destinadas produo de energia

elctrica em pequena escala tem contribudo para o aparecimento de sistemas vocacionados

a serem instalados directamente sobre as redes de BT, como o exemplo de painis solares

fotovoltaicos, micro-turbinas elicas, micro-turbinas a gs e pilhas de combustvel. A

crescente integrao de unidades de micro-gerao pode originar um conjunto de impactos

significativos em termos da operao da rede de distribuio, nomeadamente no que se

refere ao comportamento dos perfis de tenso. Estes impactos podem ter como resultado a

limitao de integrao destas unidades na rede de distribuio. Nesse sentido, esta

Dissertao foca essencialmente o problema das alteraes do perfil de tenso em resultado

da integrao em larga escala de unidades de micro-gerao sobre as redes de BT. De referir

que tais efeitos so estudados sobre um conjunto de redes de distribuio de baixa tenso. As

redes de distribuio de baixa tenso, sobre as quais recaiu este estudos, so redes que

foram obtidas atravs do projecto InovGrid. Desta forma, atravs dos dados obtidos deste

projecto, pretende-se obter algumas concluses associadas integrao em larga escala de

micro-gerao.

Verificadas estas limitaes, surge a necessidade de criao de estratgias de controlo

destes impactos. Assim sendo, e tendo em considerao a infra-estrutura de controlo que

ser proporcionada no mbito do projecto InovGrid, ainda proposta uma estratgia de

controlo local dos perfis de tenso em resultado das perturbaes (elevao da tenso para

alm do valor nominal) que os crescentes nveis de integrao de micro-gerao podem

introduzir no sistema de distribuio.

Assim, os principais objectivos desta dissertao so os seguintes:

Avaliao do comportamento dos perfis de tenso em redes de BT em face

de elevados nveis de integrao de micro-gerao e determinao de

limites de integrao para essas mesmas redes: Para tal, foram consideradas

um conjunto de redes em baixa tenso onde se procedeu verificao do

comportamento do perfil de tenso em face de crescentes nveis de integrao

de micro-gerao. Esse tipo de estudos permite igualmente a identificao de

limites de integrao de micro-gerao, tendo em conta as perturbaes que

podero ocorrer em regime permanente sobre os valores da tenso. Estes

estudos foram feitos considerando que as redes em causa poderiam ser

aproximadas por redes trifsicas equilibradas. Em seguida, alguns dos

26 Introduo

26

resultados assim obtidos foram corroborados com base num estudo sobre redes

trifsicas desequilibradas.

Comparar os limites de integrao atrs referidos com os impostos na

legislao vigente em Portugal: os limites obtidos no decorrer do estudo

foram comparados com os impostos na legislao que regula a integrao de

micro-gerao nas redes de BT. Alm disso tentou-se verificar se existe a

possibilidade de extenso desses mesmos limites.

Identificao de estratgias de controlo local dos nveis tenso: tendo em

vista os crescentes nveis de integrao de micro-gerao nas redes de

distribuio, juntamente com os decorrentes impactos sobre os perfis de

tenso procedeu-se identificao de uma estratgia de controlo local de

tenso, justificvel pela sua simplicidade e reduzidos requisitos de

implementao.

1.3 - Estrutura da Dissertao

O trabalho desenvolvido no mbito desta Dissertao encontra-se organizado em 6

captulos e 2 anexos.

O primeiro captulo apresenta a contextualizao do problema em investigao e indica

os principais objectivos que este estudo pretende alcanar.

No segundo captulo introduzido o conceito de micro-gerao, procedendo-se tambm

descrio de alguns tipos de tecnologias destinadas produo em pequena escala de energia

elctrica. So tambm descritos os impactos resultantes da integrao de micro-gerao para

a rede de distribuio (enfoque nos perfis de tenso), verificando-se a necessidade de criao

de sistemas avanados para esta integrao. Introduz-se assim o conceito de micro-redes e

multi-micro-redes, procedendo-se assim anlise da arquitectura das mesmas.

Aliado a isto, ainda abordado o problema do controlo de tenso e as estratgias

adoptadas para o mesmo.

No terceiro captulo, apresenta-se a caracterizao pormenorizada das redes estudadas

bem como a metodologia usada para a obteno dos resultados.

Estrutura da Dissertao 27

27

No quarto captulo apresentado e discutido o funcionamento do controlo de tenso

local que proposto nesta dissertao. Para tal apresentada a metodologia de ligao de

um sistema solar fotovoltaico na rede de distribuio, e a sua implementao em ambiente

MatLab/Simulink.

No captulo 5 so apresentados e discutidos os resultados obtidos atravs dos estudos que

foram realizados de acordo com os princpios estabelecidos nos captulos 3 e 4.

O captulo 6 apresenta os principais contributos desta Dissertao assim como as

concluses gerais e perspectivas de estudos futuros.

No anexo A so apresentadas as tabelas que caracterizam as redes de distribuio

presentes no estudo, relativamente potncia activa e reactiva por barramento bem como o

nmero de clientes e a respectiva potncia contratada por barramento. No anexo B so

ilustrados os esquemas unifilares das redes usadas para o estudo dos limites de integrao de

micro-gerao nas redes trifsicas desequilibradas.

28 Introduo

28

Captulo 2

Integrao de unidades de micro-gerao nas redes de

distribuio

2.1 Introduo

Cada vez mais tm sido registadas alteraes profundas no paradigma de

desenvolvimento e operao do sistema elctrico de energia, tal como era conhecido at a

um passado relativamente recente. Esse sistema elctrico de energia pode ser genericamente

caracterizado por uma estrutura hierrquica onde o trnsito de energia flui sempre de um

nvel hierrquico superior para um nvel inferior. A figura 2.1 ilustra a forma hierrquica de

organizao do sistema elctrico convencional. Segundo [4], a energia elctrica produzida

em grandes centrais de gerao que alimentam um sistema de transmisso interligado, que

por sua vez transporta a energia para subestaes prximas dos centros de consumo. Linhas

de alta tenso distribuem a energia elctrica at aos centros de consumo, onde as

subestaes de alta tenso esto localizadas. Nas subestaes de alta tenso, a tenso

reduzida para nveis de Mdia Tenso (MT) tenso de distribuio sendo posteriormente

distribuda para as reas rurais e urbanas atravs das linhas MT. Por fim, nos postos de

transformao, a tenso novamente reduzida, para nveis correspondentes Baixa Tenso

(BT), sendo distribuda pelos pequenos consumidores.

Em [7], so referidas algumas vantagem relativas ao sistema elctrico convencional

destacando-se:

Eficincia das grandes centrais elctricas: A maior parte das grandes unidades

de produo de produo de energia elctrica caracteriza-se por terem mais de

20 anos e por terem nveis de eficincia entre 28% e 35%; contrariamente, as mais

recentes unidades de gerao de pequena escala caracterizam-se por nveis de

30 Integrao de unidades de micro-gerao nas redes de distribuio

30

eficincia entre 40% e 50%. Contudo esta comparao no razovel devido

diferena significativa do nvel tecnolgico entre ambos os casos [8]. Se a

comparao entre as grandes unidades e pequenas unidades de gerao for feita

considerando o mesmo nvel tecnolgico, a vantagem recair para as grandes

unidades.

Operao e gesto do sistema elctrico: O sistema interligado de transmisso

permite o transporte de grandes quantidades de energia a grandes distncias com

nveis de perdas reduzidos. A interligao de sistemas faz com que os nveis das

reservas de energia sejam optimizados, contribuindo assim para uma reduo dos

custos de produo. Alm disso, as grandes unidades de gerao contribuem

significativamente para a garantia de estabilidade geral do sistema.

Simplicidade de operao ao nvel da distribuio: O fluxo de potncias

unidireccional simplifica o modelo de planeamento e operao das redes de

distribuio de energia elctrica.

Figura 2.1 Organizao do sistema elctrico convencional

Contudo, e ainda segundo [7], existem tambm algumas desvantagens relacionadas com

aspectos fundamentais do sistema elctrico convencional:

Introduo 31

31

Distncia entre a produo e os centros de consumo: as grandes distncias

entre produo e consumo que caracterizam o paradigma do sistema elctrico

convencional obrigam construo de grandes e dispendiosas redes de

transmisso, sendo que o crescimento destas distncias de transporte de energia

origina o aumento das perdas.

Impactos ambientais: As unidades convencionais de gerao originam impactos

ambientais significativos, em especial devido ao uso de carvo e de combustveis

nucleares ou fsseis.

Fiabilidade do sistema: num sistema hierrquico, a existncia de problemas de

natureza regulatria ou estrutural pode criar dificuldades para o desenvolvimento

de investimentos em novas instalaes de gerao ou na rede de transmisso. O

impacto resultante pode ter impactos negativos considerveis em termos da

segurana de abastecimento do sistema global.

O paradigma de funcionamento do sistema elctrico convencional tm vindo a sofrer

alteraes significativas desde o inicio da dcada de 90, em especial devido ao crescimento

do interesse em conectar unidades de gerao rede de distribuio. Tal interesse resulta

essencialmente de incentivos resultantes de polticas governamentais ambiciosas em termos

de reduo das emisses poluentes, aumento da eficincia energtica, bem como de

programas de promoo da diversificao energtica. Este tipo de unidades, s quais

normalmente atribuda a designao de Produo Dispersa (PD), comeou primeiramente a

surgir ao nvel das redes de mdia/alta tenso, com especial enfoque em sistemas de co-

gerao, mini-hidricas e parques elicos. Mais recentemente, e em resultado de

desenvolvimentos tecnolgicos importantes na rea da PD, este tipo de produo comeou a

surgir ao nvel das redes de baixa tenso, surgindo dessa forma o termo micro-gerao [4].

A micro-gerao, isto , a produo de energia elctrica atravs de instalaes de

pequena escala usando fontes renovveis (micro-elicas, painis solares fotovoltaicos (FV),

mini e micro-hdricas) ou processos de micro-co-gerao de elevada eficincia (utilizando

micro-turbinas e clulas de combustvel), est no centro de uma revoluo que vai contribuir

de forma decisiva para uma maior descentralizao dos sistemas elctricos da maioria dos

pases europeus [9]. Tal como o aparecimento da PD ao nvel das redes de distribuio de

mdia e alta tenso, o aparecimento das tecnologias de micro-gerao est relacionado com

os elevados custos associados forte dependncia de combustveis fosseis, com principal

destaque para a constante subida do preo do barril de petrleo, aparecendo tambm o

combate s alteraes climticas e liberalizao dos mercados elctricos na Europa como


32

motivo fundamental ao desenvolvimento tecnolgico visando o uso das energias renovveis

[9].

Assim, e apesar de o factor econmico ser o principal elemento motivador ao uso de

micro-gerao, factores como as preocupaes com a segurana de abastecimento e os

problemas ambientais so tambm tomados em considerao.

Foi visto que o paradigma de funcionamento do sistema elctrico tm vindo a sofrer

alteraes, sendo que, o aparecimento da PD e a recente evoluo no que diz respeito s

diversas tecnologias de micro-gerao foram os principais responsveis. Aliado a isto, surgem

certos problemas relacionados com o impacto que estas tecnologias provocam nas redes de

distribuio. Aspectos relacionados com os adequados esquemas de proteco, qualidade da

energia fornecida, estabilidade do sistema, mudanas no que respeita nova forma de

operao da rede elctrica e alteraes dos perfis de tenso, tm de ser tidos em

considerao uma vez que apesar dos seus inmeros benefcios podem tambm trazer

problemas para o correcto funcionamento do sistema elctrico. Estes problemas, com

destaque para a alterao dos perfis de tenso que constituem objecto de estudo neste

trabalho, so devidos em grande parte ao crescente aumento que se tem vindo a verificar na

integrao de micro-gerao na rede elctrica.

2.2 Conceito Produtor/Consumidor

No que respeita micro-gerao, e de acordo com estudos desenvolvidos no Reino Unido,

prev-se que at 2050 a instalao generalizada de micro-gerao possa fornecer entre 30-

40% das necessidades elctricas necessrias e promover a reduo das emisses de CO2 em

15% ao ano [10]. A possibilidade de aplicao desta tecnologia para explorao dos recursos

naturais ir permitir a reduo da dependncia da importao e beneficiar os consumidores

de energia. importante tambm referir que segundo [10], a micro-gerao tem um papel

chave a desempenhar no conhecimento das necessidades energticas futuras, de uma

maneira que seja sustentvel, fivel e acessvel para todos. Alm disso, a natureza visvel e

individual de muitas tecnologias de micro-gerao pode tambm aumentar o interesse

individual na compreenso mais geral do consumo de energia. Por exemplo, o seu uso nas

escolas pode criar uma base reforada na compreenso das questes energticas e nas

alteraes climticas entre futuras geraes de consumidores, ajudando a influenciar padres

de comportamento [10].

Conceito Produtor/Consumidor 33

33

A tendncia actualmente seguida no mbito do sector elctrico reflecte uma poltica de

liberalizao, contribuindo para uma efectiva separao das actividades inerentes ao sector

(operao da rede, comercializao de energia) e para a liberalizao do acesso s redes de

distribuio de energia elctrica, nomeadamente por parte de agentes produtores. A

liberalizao do mercado elctrico contribuiu igualmente para a sua expanso, podendo ser

acedido por parte dos clientes de energia elctrica em baixa tenso (tipicamente

consumidores domsticos, comrcio, e servios), mediante a possibilidade de escolha de um

comercializador de energia.

Adicionalmente, as questes ambientais tm vindo a exigir a utilizao de novas formas

de produo de electricidade, como alternativa utilizao de recursos fsseis. Por outro

lado, a necessidade de promover a eficincia energtica e aumentar a fiabilidade e a

qualidade dos fornecimentos de electricidade est a desencadear uma verdadeira mudana

de paradigma nas redes elctricas e no seu modo de interaco com os consumidores, onde

ambos (redes e consumidores) desempenharo um papel significativamente mais activo do

que na actualidade. Por outro lado, de esperar uma atitude mais participativa dos

consumidores na resposta s condies de mercado (capacidade de resposta a preos de

mercado), exigindo sistemas de tarifao prximo do tempo real. importante tambm

referir que Portugal tem vindo a adoptar uma posio pr-activa com vista promoo da

micro-gerao, tendo o governo portugus publicado recentemente legislao que promove a

instalao de unidades de micro-gerao a nvel domstico.

Com o surgimento da micro-gerao, os conceitos de produtor e consumidor deixam de

ser conceitos fisicamente separados pela interposio de redes de transporte e distribuio e

passa a ser possvel a sua co-existncia num mesmo espao fsico. No mbito da mudana de

paradigma que tem vindo a ser observada no sector elctrico, atinge-se agora um estgio de

explorao de um conjunto de recursos energticos, que se caracterizam por estarem

geograficamente distribudos, dando origem emergncia de uma nova gerao de

consumidores, que em simultneo desenvolvem tambm a actividade de produo de energia

elctrica. Assim sendo, aparecem no sistema elctrico um novo conjunto de consumidores

que apresentam agora a opo de poderem suprir parte ou a totalidade das suas necessidades

energticas, podendo inclusivamente proceder venda de excedentes de energia que

produzem, de onde podem advir benefcios econmicos importantes. Este tipo de

consumidores est essencialmente localizado nas redes de distribuio de baixa tenso, pelo

que se afiguram como instalaes de pequena escala, mas que dado o nmero de potenciais

alvos, podem em conjunto, constituir um volume considervel de potncia e/ou energia que

posta em jogo.


34

2.3 Situao Portuguesa

O Decreto-Lei (DL) n. 29/2006, de 15 de Maro, veio estabelecer as bases gerais de

organizao e funcionamento do Sistema Elctrico Nacional (SEN). De acordo com o que

estabelecido neste documento, a produo de electricidade classificada em dois regimes: o

regime ordinrio e o regime especial, sendo que ao regime especial corresponde a produo

de electricidade com incentivos utilizao de recursos endgenos e renovveis ou a

produo combinada de calor e electricidade [11]. De encontro ao que estabelecido no DL

n. 29/2006, a produo em regime ordinrio diz respeito produo de electricidade com

base em fontes tradicionais no renovveis e em grandes centros electroprodutores hdrico,

enquanto que produo em regime especial corresponde a produo de electricidade com

incentivos utilizao de recursos endgenos e renovveis ou a produo combinada de calor

e electricidade. Na figura 2.2, retirada do stio da Rede Elctrica Nacional (REN), pode ento

ser observada a estrutura do SEN [12].

Figura 2.2 Estrutura do SEN [12].

No que diz respeito micro-gerao, como a actividade de produo de energia elctrica

na rede de baixa tenso, com possibilidade de entrega de energia rede elctrica pblica,

esta foi regulada pelo Decreto-Lei n. 68/2002, de 25 de Maro. No entanto, aps mais de

cinco anos desde a entrada em vigor do referido decreto, verificou-se que o nmero de

Situao Portuguesa 35

35

sistemas de micro-gerao de electricidade licenciados e a funcionar ao abrigo deste

enquadramento legal no atingiu uma expresso significativa [11]. Isto deveu-se ao facto de

os incentivos adeso a estas novas tecnologias serem bastante reduzidos, reduzindo assim o

interesse em investimento em tecnologias emergentes, ao qual acresciam os problemas

burocrticos que tornavam o processo lento e complicado.

Dadas as dificuldades administrativas que era necessrio vencer por parte de promotores

de instalaes de micro-gerao, esta no atingiu grande significado em Portugal, pelo que

foi levado a cabo um procedimento administrativo atravs do DL n. 363/2007 de 2 de

Novembro que veio simplificar significativamente o regime de licenciamento existente,

substituindo-o por um regime de simples registo, sujeito a inspeco de conformidade

tcnica. Entre as simplificaes presentes no DL n. 363/2007 h que referir:

A entrega e a anlise dos projectos so substitudas pela criao de uma base de

dados de elementos - tipo predefinidos que o produtor deve respeitar,

encurtando-se assim um procedimento que tipicamente teria a durao de vrios

meses a um simples acto de registo electrnico.

criado o Sistema de Registo da Micro-gerao (SRM), que constitui uma

plataforma electrnica de interaco com os produtores, no qual todo o

relacionamento com a Administrao, necessrio para exercer a actividade de

micro produtor, poder ser realizado.

previsto um regime simplificado de facturao e de relacionamento comercial,

evitando-se a emisso de facturas e acertos de IVA pelos particulares, que, para

esse efeito, so substitudos pelos comercializadores

Alm disso, com o DL n 363/2007 so criados dois regimes de remunerao: o regime

geral e o bonificado. O regime geral, que usado para a generalidade das instalaes,

enquanto que o regime bonificado apenas aplicvel a instalaes caracterizadas pelo uso

das fontes renovveis de energia. Alm disso o acesso ao regime bonificado condicionado

existncia no local de consumo de colectores solares trmicos, no caso de produtores

individuais, e da realizao de uma auditoria energtica e respectivas medidas, no caso de

condomnios. O incentivo associado venda de electricidade , assim, utilizado para

promover a gua quente solar, complementando o Decreto-Lei n. 80/2006, de 21 de Abril,

que estabelece a obrigatoriedade de instalao destes sistemas nos novos edifcios. Este DL

vem dar expresso a duas das medidas contempladas na Resoluo do Conselho de Ministros


36

n. 169/2005, de 24 de Outubro, que aprova a Estratgia Nacional para a Energia, no que

respeita s linhas de orientao poltica sobre renovveis e eficincia energtica [11].

Ainda de acordo com o DL n 68/2002 de 25 de Maro, previsto que a electricidade

produzida em sistemas de micro-gerao seja essencialmente para consumo prprio, sendo o

excedente passvel de ser entregue a terceiros ou rede pblica com o limite de 150 kW de

potncia no caso de a entrega ser efectuada rede pblica [11]. A vinda do DL n363/2007

veio facilitar as instalaes de unidades do grupo I alm de que veio prever uma srie de

outros limites para a integrao de micro-gerao na rede. De acordo com o artigo 4. h que

referir:

1- Os produtores de electricidade nos termos do decreto-lei n 363/2007 no podem

injectar na Rede Elctrica de Servio Pblico (RESP), no mbito desta actividade,

uma potncia superior a 50 % da potncia contratada para a instalao elctrica

de utilizao, sendo que este nmero no aplicvel s instalaes elctricas de

utilizao em nome de condomnios.

2- O acesso actividade de micro-gerao pode ser restringido mediante

comunicao pelo operador da rede de distribuio, nos casos em que a

instalao de utilizao esteja ligada a um posto de transformao cujo

somatrio da potncia dos registos a ligados ultrapasse o limite de 25 % da

potncia do respectivo posto de transformao.

3- A potncia mxima para a instalao de produo de electricidade monofsica

em baixa tenso de 5,75 kW sendo que o DL define estas instalaes como

Unidades do grupo I.

No que diz respeito remunerao e facturao, o DL n 363/2007 estabelece dois

regimes distintos:

Regime geral, aplicvel a todos os consumidores que tenham acesso actividade

de micro-gerao, nos termos do artigo 4., para o qual a tarifa de venda de

electricidade igual ao custo da energia do tarifrio aplicvel pelo

comercializador de ltimo recurso do fornecimento instalao de consumo.

Regime bonificado, para unidades de micro produo com potncia de ligao at

3,68 kW que utilizem as fontes de energia previstas no n. 5 do artigo 11.,

aplicvel segundo determinadas condies:


37

1) Para cada produtor no regime bonificado definida uma tarifa nica de

referncia aplicvel energia produzida no ano da instalao e nos cinco

anos civis seguintes.

2) A tarifa nica de referncia aplicvel a seguinte:

a) Aos primeiros 10 MW de potncia de ligao registados a nvel

nacional, a tarifa de referncia de 650/MWh;

b) Por cada 10 MW adicionais de potncia de ligao registada a

nvel nacional, a tarifa nica aplicvel sucessivamente

reduzida de 5 %.

3) Aps o perodo de 5 anos previsto no n. 1 e durante o perodo adicional

de 10 anos, aplica-se instalao de micro produo, anualmente, a

tarifa nica correspondente que seja aplicvel, no dia 1 de Janeiro

desse ano, s novas instalaes que sejam equivalentes.

4) Aps o perodo previsto no nmero anterior, aplica-se instalao de

micro produo o regime geral previsto no artigo 10.

5) O tarifrio de referncia previsto no n. 2 depende do tipo de energia

renovvel utilizada, mediante a aplicao das seguintes percentagens

tarifa de referncia:

a) Solar 100 %;

b) Elica 70 %;

c) Hdrica 30 %;

d) Cogerao a biomassa 30 %;

e) Pilhas de combustvel com base em hidrognio proveniente de

micro-gerao renovvel percentagem prevista nas alneas

anteriores aplicvel ao tipo de energia renovvel utilizado para

a produo do hidrognio;

f) Combinao das fontes de energia previstas nas alneas

anteriores na mesma unidade a mdia ponderada das

percentagens individuais aplicveis utilizando como factor de

ponderao os limites mximos de energia aplicveis nos

termos previstos no n. 6.

6) A electricidade vendida nos termos do nmero anterior limitada a 2,4

MWh/ano, no caso da alnea a) do nmero anterior, e a 4 MWh/ano, no

caso das restantes alneas do mesmo nmero, por cada quilowatt

instalado.


38

7) A potncia de ligao registada no regime bonificado sujeita a um

limite anual.

8) O limite previsto no nmero anterior de 10 MW no ano de entrada em

vigor do presente decreto-lei, sendo aumentado, anual e sucessivamente,

em 20%.

A aposta de Portugal nas energias renovveis assume um papel decisivo no cumprimento

de objectivos ambientais estratgicos. atravs de medidas como as presentes no DL n

363/2007 e da Directiva 2001/77/CE, onde a Unio Europeia reconhece a necessidade de

promover as Fontes de Energia Renovveis (FER) que Portugal poder atingir a meta de 39%

at 2010 de produo de electricidade produzida a partir das Fontes de Energia Renovveis.

Alm disso, a aposta da micro-gerao em Portugal pode ver vantajosa uma vez que, embora

Portugal seja um pas extremamente dependente face a pases terceiros, um pas

privilegiado para a utilizao em larga escala de energias renovveis, em resultado da sua

elevada exposio solar, de uma rede hidrogrfica relativamente densa e uma frente

martima que beneficia dos ventos atlnticos. importante referir que em Portugal, o

potencial solar disponvel bastante considervel, sendo o nmero mdio anual de horas de

sol, varivel entre 2200 e 3000, no continente, e entre 1700 e 2200, respectivamente, nos

arquiplagos dos Aores e da Madeira. Na Alemanha, por exemplo, este indicador varia entre

1200 e 1700 horas [13].

No que respeita aos resultados prticos da aplicao do DL 363/2007, importa referir

alguns nmeros sobre a evoluo dos sistemas de micro-gerao que tm vindo a ser

instalados. Em relao energia fotovoltaica em Portugal e segundo [14], as ultimas

estatsticas nacionais apontavam para cerca de 67.95 MWp de potncia total instalada at

final de 2008, repartidos por vrios sectores (sector domstico ou servios, servios, e em

sistemas ligados rede). Ainda segundo [14], em Portugal a tecnologia fotovoltaica

representa uma pequena contribuio para os objectivos estabelecidos pelo governo (45 % do

consumo bruto de electricidade a partir de FER) com cerca de 200 MW at 2010.

Interessa referir assim algumas das instalaes mais significativas em Portugal:

Situada na Freguesia de Brinches, concelho de Serpa (distrito de Beja), a central

fotovoltaica de Serpa (com uma potncia total instalada de 11MWp) ocupa uma

rea de 60 hectares numa das zonas de Portugal onde se verificam os valores mais

elevados da radiao solar e onde, tambm, existe capacidade na rede elctrica

para um projecto desta dimenso [15].


39

A Central Solar Fotovoltaica de Moura, instalada na Freguesia da Amareleja,

concelho de Moura, uma das maiores centrais fotovoltaica do mundo. Esta

central j esta totalmente concluda, com uma potncia total instalada 46 MWp

[14].

Martifer: Construiu em Oliveira de Frades (Norte de Portugal) uma fbrica de

mdulos solares, que comeou a operar em Janeiro 2009. Com uma capacidade

anual de 50 MWp, que poder ser expandida para 100 MWp [14].

Setbal: instalao de 10 kW, propriedade da EDP, e que foi pioneira na ligao

de sistemas fotovoltaicos rede elctrica [15].

O Edifcio Solar XXI um projecto do INETI (Departamento de Energias

Renovveis) com apoio do PRIME. Este projecto associa uma estratgia de

optimizao da evolvente utilizao de sistemas solares, e com 12 kWp de

potncia total instalada na fachada e 6 kWp no parque de estacionamento [16].

Um sistema com 4.9 kWp de potncia instalada, em So Brs (Barcelos),

projectado pela SunTechnics [15].

2.4 Situao Internacional

Hoje em dia, o perigo de que tanto se fala em relao ao aquecimento global, provocado

pelos aumentos constantes do consumo de energia, bem como a forte dependncia

energtica relativamente aos combustveis fosseis, tem levado a que os lderes da EU estejam

a assumir o compromisso de aumentar a utilizao de fontes renovveis de energia. Este

compromisso contribui activamente para a diversificao energtica, bem como para a

reduo das emisses de dixido de carbono. Pases como a Alemanha, Espanha, Frana,

Itlia, Grcia entre outros, tm vindo a assumir metas e criado leis para que este

compromisso possa ser vivel.

A Alemanha considerada o pas com o mais bem sucedido mecanismo relativamente ao

incentivo s fontes renovveis de energia. O sistema de preos introduzido com o Electricity

Feed Act (1991) e posteriormente actualizado pela Renewable Energy Sources Act (2000) e

pela emenda ao Renewable Energy Sources Act (2004) a chave para o sucesso das

renovveis na Alemanha. Em resultado das polticas governamentais, de registar que no ano


40

de 2004, houve um aumento de aproximadamente 100% na potncia FV instalada na

Alemanha, que ao final de 2005 estava em aproximadamente 1,5 GWp conectados rede

elctrica pblica [17]. Em finais de 2006, existiam mais de 2500 MWp de potncia

fotovoltaica a operar no pas, dando origem a que a Alemanha se tornasse o lder mundial de

tecnologia fotovoltaica [18].

O mecanismo alemo baseado na obrigatoriedade de compra, por parte do operador da

rede, de toda a energia elctrica proveniente de fontes renovveis, sendo pago ao produtor

uma tarifa por cada kWh gerado. Segundo a lei alem, a tarifao da energia proveniente de

sistemas fotovoltaicos de 0.5 kWh. De acordo com [14], a instalaes de sistemas FV

conectados rede na Alemanha cresceu significativamente tornando-se a capacidade

instalada nos recentes anos tpico de discusso. O dilema baseado no facto do elevado

nmero de instalaes tornar difcil a deteco de cada sistema. As primeiras estimativas

para 2008 mostravam uma nova capacidade de conexo rede entre 1500 e 1750 MW,

resultando numa capacidade acumulada entre 5,3 e 5,6 GW no final do ano. Assim, devido s

dificuldades estatsticas e visando uma melhoria, desde o incio de 2009, os proprietrios de

novos sistemas FV so legalmente obrigados a registar os seus sistemas na German Federal

Network Agency. Somente sistemas inscritos recebero as tarifas devidas.

O objectivo do programa assim facilitar o desenvolvimento sustentvel no suprimento

de energia, controlar o aquecimento global, proteger o meio ambiente e atingir um aumento

substancial na percentagem das fontes renovveis no suprimento do consumo (no mnimo o

dobro at o ano de 2010) [17].

Em relao Frana, verificou-se nos ltimos anos um rpido crescimento no que diz

respeito micro-gerao. Segundo o governo Francs, este rpido crescimento foi devido

essencialmente s alteraes feitas em 2006 s tarifas aplicadas ao sistema fotovoltaico. De

entre outras medidas, o governo Francs duplicou a tarifa aplicada energia proveniente de

sistemas fotovoltaicos, de 0.15 para 0.30 por kWh, adicionando ainda o incentivo de um

crdito fiscal de 50% para o custo de instalao. Segundo [14], cerca de 105 MW foram

instalados durante o ano de 2008, constituindo o triplo do volume de instalaes em relao

ao ano anterior. Oitenta por cento da potncia instalada correspondiam a instalaes em

habitaes individuais, sendo que, o total da capacidade fotovoltaica instalada em Frana

actualmente de 180 MW. Ainda segundo [14], o governo Francs apresentou uma srie de

propostas de grande importncia relativamente ao sistema FV. A referir:

Capacidade instalada acumulada de 1 100 MW em 2012 e 5 400 MW em 2020;

Confirmao at 2012 das tarifas actuais e a criao de outra destinada a

grandes superfcies comerciais e industriais. Esta tarifa fixada em 0.45 por

kWh.

Situao Internacional 41

41

Criao de um concurso pblico, para a construo at 2011 de pelo menos

uma central solar FV em cada regio francesa, com uma capacidade total

instalada de 300 MW.

Em Espanha, a integrao de produo dispersa nas redes de distribuio regulada

atravs do Real Decreto 436/2004 de 12 de Maro. atravs deste Real Decreto que se

estabelece a metodologia e sistematizao do regime jurdico e econmico da actividade de

produo de energia elctrica em regime especial. tambm atravs deste decreto que o

governo espanhol pretende que no ano de 2010 cerca de um tero da procura de

electricidade esteja coberta por tecnologias de alta eficincia energtica e por energias

renovveis, sem aumentar o custo de produo do sistema elctrico. Alm disso, com a

contribuio da produo em regime especial, ser possvel alcanar o objectivo da lei

54/1997 de 27 de Novembro: atingir a meta de em 2010 as fontes de energia renovveis

contriburem pelo menos para 12 % do total da procura energtica em Espanha [19].

Assim com como previsto na lei Portuguesa, tambm a lei espanhola por meio do Real

Decreto 436/2004 de 12 de Maro prev limites a esta integrao, sendo que para interesse

deste trabalho h que referir:

A potncia total da instalao ligada rede no pode ser superior a 50% da

capacidade da linha no ponto de ligao, definida como capacidade trmica do

projecto da linha em tal ponto.

Para subestaes ou postos de transformao, a potncia total da instalao

ligada a uma subestao ou posto de transformao no poder ser superior a

50% da capacidade de transformao instalada para esse nvel de tenso.

Segundo um relatrio da indstria fotovoltaica europeia e da Greenpeace, a Espanha,

atravs da implementao de um sistema tarifrio que define uma remunerao de

0.44/kWh para a energia proveniente de sistemas fotovoltaicos, atingiu em 2006 a 4

posio mundial pela sua capacidade total solar. De fato, em 2007, a meta que o National

Renewable Energy Plan estabeleceu para o ano de 2010 foi superada. A meta para 2010 era

de 400 MW e, no final de 2007, a capacidade instalada era j de 680 MW. A data limite de 30

de Setembro de 2008 foi ento estabelecida para incluir novos projectos no antigo regime de

tarifas (0.44/kWh). Esta situao originou que em 2008 o mercado espanhol tivesse sido o

maior a nvel mundial e que 2008 tenha terminado com uma capacidade instalada superior a

3 500 MW, dos quais 2 700 MW foram instalados no ano de 2008 [14].

Desta forma, foi na tentativa de alcanar um nvel de crescimento estvel para a

indstria solar, que a data de 30 de Setembro de 2008 ficou definida como a data limite para


42

projectos a beneficiar da tarifa antiga. Aps esta data, os novos projectos passaram a ser

regulados pela tarifa de 0.32-0.34/kWh.

Em resultado da anlise das realidades de diversos pases europeus relativamente

aplicao de legislao especfica para a promoo da micro-gerao, pode afirmar-se que h

uma tendncia geral de estabelecimento de mecanismos de incentivo aos consumidores no

sentido de promover a instalao massiva deste tipo de sistemas. Trata-se de medidas

enquadradas em programas mais amplos, em que as questes ambientais e de aumento da

eficincia energtica so tambm tidas em considerao.

2.5 Tecnologias de micro-gerao

Nas seces anteriores foi feita uma breve referncia sobre a situao portuguesa e

internacional no que se diz respeito integrao de unidades de micro-gerao nas redes de

distribuio, bem como sobre os principais aspectos relacionados com uma nova figura que

recentemente emerge dos sistemas de distribuio o conceito de produtor/consumidor.

Efectivamente, os recentes avanos tecnolgicos no campo das tecnologias de produo

dispersa, nomeadamente na micro-gerao, juntamente com o conjunto de incentivos que

recentemente tm vindo a ser definidos no sentido de incrementar a integrao deste tipo de

unidades na rede, contribuiu de forma decisiva para o seu desenvolvimento. Esses recentes

desenvolvimentos tecnolgicos contriburam para o aparecimento de diversas tecnologias de

gerao, usualmente designadas por micro-geradores ou micro-fontes, sendo de destacar:

clulas de combustvel, micro-turbinas, micro turbinas elicas e painis solares fotovoltaicos.

A potncia elctrica disponvel neste tipo de tecnologias de converso de energia em geral

inferior a 100 kW, o que as torna adequadas para serem ligadas s redes de distribuio em

BT [4].

Assim sendo, importa agora fazer uma breve exposio sobre os principais aspectos

tecnolgicos e caractersticas dos sistemas de micro-gerao, j referidos anteriormente. No

entanto, importante fazer notar que, face aos condicionalismos existentes em Portugal, a

tecnologia fotovoltaica tida como uma das principais tecnologias com potencial para ser

instalada em grande escala. Alm disso, as micro-turbinas elicas apresentam tambm algum

potencial de desenvolvimento, tendo em considerao as caractersticas dos regimes de

vento que predominam, em especial na orla costeira.

Tecnologias de micro-gerao 43

43

2.5.1 Clula de combustvel

As clulas de combustvel so dispositivos electroqumicos que convertem a energia

qumica contida numa variedade de combustveis directamente em energia elctrica. Outras

tecnologias comuns de gerao de energia envolvem um processo intermdio para gerar

energia elctrica. Esse processo intermdio consiste na produo de calor atravs da queima

dos combustveis, seguido da sua converso em energia mecnica que usada para accionar

um gerador elctrico. No que diz respeito sua eficincia, os sistemas baseados em clulas

de combustvel podem alcanar eficincias de operao de aproximadamente 60%. Este valor

praticamente o dobro da eficincia dos convencionais motores de combusto interna [4].

Foi dito anteriormente que uma clula de combustvel pode ser definida como um

dispositivo electroqumico que transforma continuamente a energia qumica em energia

elctrica. Para tal, necessrio que lhe seja fornecido o combustvel e o oxidante. A figura

2.3 ilustra o elemento bsico da clula de combustvel que clula. O combustvel o

hidrognio ou um composto que o tenha na sua constituio e o oxidante o oxignio. O

hidrognio utilizado no processo pode ser obtido de vrias fontes: electrlise da gua, gs

natural, propano, metanol, ou outros derivados do petrleo como qualquer hidrocarboneto.

Relativamente ao oxignio, este pode ser facilmente retirado do ar.

Relativamente sua composio bsica, uma clula de combustvel constituda por dois

elctrodos (nodo e catado) e uma camada de ligao entre os dois o electrlito. O nodo

fornece uma interface entre o combustvel e o electrlito, catalisa a reaco de combustvel,

e fornece um caminho atravs do qual os electres livres so conduzidos carga atravs de

um circuito externo. A globalidade das reaces da clula de combustvel ocorre em duas

etapas: a reaco de oxidao no nodo e a reaco de reduo no ctodo. A reaco de

oxidao a dissociao dos tomos de hidrognio em protes e electres. A reaco de

reduo ocorre quando os tomos de oxignio se dissociam e se verifica a ligao com os

protes que vem atravs da membrana e os electres do circuito externo, formando gua. O

ctodo fornece uma interface entre o oxignio e o electrlito, catalisa a reaco de oxignio

e fornece um caminho atravs do qual os electres livres so conduzidos a partir da carga

para o elctrodo de oxignio atravs do circuito externo [4]. O electrlito, um condutor

inico (no condutor elctrico), actua como o separador entre o hidrognio e o oxignio para

evitar a mistura e a combusto directa resultante. Este completa o circuito elctrico de

transporte de ies entre os elctrodos.


44

Figura 2.3 Diagrama esquemtico bsico de uma unidade de clula de combustvel [4].

2.5.2 Micro-turbinas

O desenvolvimento da tecnologia das micro-turbinas nos recentes anos o resultado de

uma pesquisa e desenvolvimento intenso no campo das pequenas turbinas a gs do tipo

estacionrio, que so sistemas de gerao auxiliar fiveis usados em avies comerciais, bem

como sistemas baseados em turbo compressores, cujo desenvolvimento comeou na dcada

de 50 [4].

O termo micro-turbina refere-se em geral a um sistema de dimenses relativamente

reduzidas composto por um compressor, cmara de combusto, turbina e gerador elctrico,

com uma potncia total disponvel no superior a 250 kW [20]. Para sistemas semelhantes

mas com potncias entre 250kW e 1MW usualmente utilizado o termo mini-turbina.

Existem duas configuraes tpicas de micro-turbinas: Veio simples e veio duplo. A tabela 2.2

ilustra as vantagens e desvantagens associadas a cada configurao. Na configurao de veio

simples, ilustrado na figura 2.4, o compressor, a turbina e o gerador elctrico partilham o

mesmo eixo de rotao que gira a uma velocidade bastante elevada. Tipicamente o veio

funciona a uma velocidade na ordem das 70000 90000 rpm, produzindo energia elctrica em

corrente alternada com uma frequncia muito elevada. A energia assim produzida primeiro

rectificada para corrente contnua, sendo de seguida convertida novamente para corrente

alternada de frequncia industrial (50 ou 60 Hz) [4,20]. No caso de o sistema estar a

funcionar isoladamente da rede elctrica, necessrio o uso de dispositivos de


45

armazenamento tal como baterias, para fornecer potncia ao gerador durante o processo de

arranque, bem como para suportar a variaes contnuas da carga [21].

Figura 2.4 Sistema de uma micro-turbina com veio simples [4].

No caso da configurao de veio duplo, este compreende o uso de duas turbinas. Existe

assim num dos eixos uma turbina para accionar o compressor e outra turbina situado no

segundo eixo para accionamento do gerador elctrico. Os gases de escape da turbina do

compressor so usados para alimentar o gerador da turbina. O gs de escape usado no

recuperador para pr-aquecer o ar que sai do compressor. No caso desta configurao, os

eixos podem rodar a velocidades mais baixas. Alm disso, a turbina pode ser ligada a um

gerador convencional atravs de uma caixa de velocidades. Neste caso, possvel a utilizao

de um gerador convencional (sncrono ou assncrono), com possibilidade de ligao directa

rede, sem ser necessrio o recurso a sistemas de converso baseados em electrnica de

potncia [4, 20].

Atravs da anlise da tabela 2.1 [20], possvel verificar que este tipo de tecnologia usa

essencialmente a configurao de veio simples. Esta configurao apresenta custos de

operao e manuteno mais baixos, devido sua simplicidade. Alm disso possvel ter em

ateno alguns dos principais fabricantes desta tecnologia.


46

Tabela 2.1 Fabricantes e caractersticas dos seus produtos [20]

Fabricante/Distribuidor Modelo Nmero

de veios

Tipo de

Chumaceiras Recuperador

Honeywell/AlliedSignal

Power Systems Inc.

(em desenvolvimento) (i.n.d) (i.n.d) (i.n.d)

Parallon

75/TurboGenerator

Power System

1 ar sim


Rolls-Royce/Allison

Engine (em desenvolvimento) (i.n.d) (i.n.d) (i.n.d)

ALM Turbine, Inc. (em desenvolvimento) (i.n.d) (i.n.d) sim

Bowman Power Systems

Limited

Turbogen TG35 1 leo opcional



Turbogen T200 (i.n.d) (i.n.d) (i.n.d)

Capstone Turbine

Corporation/BG Technology

Model 330 Low

Pressure 1 ar sim

Model 330 High

Pressure 1 ar sim

Model 330

Landfill / Digester Gas 1 ar sim

Model 330 Liquid Fuel 1 ar sim

Model 330 Non-

Recuperated 1 ar no


Elliott Energy Systems/General

Electric

Company/PowerPac Generator Systems

TA 45

1 leo sim

TA 80

1 leo sim

TA 200

1 leo sim

NREC / Ingersoll-Rand

PowerWorks

Microturbine 2 leo sim

SWB Turbines, Inc.






47

Teledyne Continental Motors

Model 105 Turbo-

Generator (i.n.d.) Ar (i.n.d.)

Toyota Power Systems

(em desenvolvimento) 2 Oleo (i.n.d.)

Turbec AB (Volvo/ABB)

T100 CHP System 1 Oleo sim

Williams Int. / GM

(em desenvolvimento) (i.n.d.) (i.n.d.) (i.n.d.)

(i.n.d.) Informao no disponvel

Tabela 2.2 - Vantagens e desvantagens associadas s configuraes das Micro-turbinas [20]

Tecnologia Vantagens Desvantagens

1 Veio

Menor nmero de peas mveis Elimina a necessidade de uma caixa

de velocidades

Funcionamento menos ruidoso

Compromisso entre as necessidades da turbina e de uma carga elctrica bem definida

2 Veios Flexibilidade em combinar a turbina

e a carga elctrica exigida Menores esforos mecnicos

Vida til mais prolongada

Maior nmero de peas

mveis Necessidade de uma caixa

de velocidades

Geralmente tem um custo superior

tambm interessante referir que para as micro-turbinas com recuperador, o rendimento

elctrico atingido da ordem dos 30%, enquanto que, em sistemas de co-gerao o

rendimento global pode atingir mais de 80%. Esta tecnologia pode ainda ser aplicada em

diversos locais tais como hospitais, aproveitamentos de biomassa, co-gerao, sistemas de

emergncia (arranque rpido), sistemas isolados e produo em horas de ponta para

regulao tarifria, alm de que pode funcionar com diferentes tipos de combustvel: gs

natural, gs propano liquefeito (GPL), biogs, gasleo e querosene [22].


48

2.5.3 Painis Solares Fotovoltaicos

A designao de sistemas fotovoltaicos referente a uma srie de tecnologias que

realizam a converso directa da luz solar em energia elctrica, usando um componente

electrnico designado por clula solar. Os princpios bsicos referentes a esta tecnologia

foram descobertos em 1839 pelo fsico Edmund Becquerel. Apesar dos princpios subjacentes

tecnologia remontarem primeira metade do sculo XIX, os desenvolvimentos prticos

desta tecnologia so bastante recentes, sendo que o primeiro dispositivo deste tipo a ser

efectivamente construdo data de 1941 [23].

No que diz respeito ao seu funcionamento, o painel solar fotovoltaico caracteriza-se por

ter uma camada superior de silcio que construda com base num tratamento especial de

forma a ser dotada carga elctrica negativa (silcio tipo n); por outro lado, a camada inferior

tambm tratada de modo a ser dotada de carga elctrica positiva (silcio tipo p). Devido a

estes tratamentos a camada superior fica muito rica em electres, enquanto que a camada

inferior fica deficitria em electres. Estas duas camadas so separadas por uma juno

electricamente carregada que deixa apenas que os electres transitem da camada inferior

para a superior. Quando a luz ilumina o painel FV, parte dos fotes so absorvidos pelas

camadas de silcio, causando a libertao de alguns electres. Quanto maior a intensidade da

luz aplicada, maior o nmero de electres libertados. Uma fraco dos electres libertos

atinge a superfcie do painel onde o circuito elctrico externo os recolhe e conduz carga

anexa enquanto um outro cabo, que parte da carga e a liga parte posterior do painel, traz

de volta os electres para que estes se fixem na camada inferior de silcio e fiquem espera

do prximo foto [24]. Este princpio de funcionamento pode ser visto na figura 2.5.

Figura 2.5 Funcionamento de um painel FV [24].


49

Como mencionado em cima, o principal componente do painel FV a clula solar. Esta

clula capaz de gerar uma tenso na ordem dos 0.5 1 V e uma corrente de curto-circuito

de algumas dezenas de miliamperes por cm2. Desta forma, e como estes valores de tenso e

corrente no so adequados para o uso da maior parte das nossas necessidades, estas clulas

so ligadas em srie e paralelo formando mdulos. Estes mdulos podem por sua vez ser

tambm ligados em srie ou paralelo podendo assim atingir tenses e correntes mais elevadas

dando origem aos painis FV. A figura 2.6 mostra como so formados os painis FV. A

corrente DC produzida depois convertida em corrente AC por meio de inversores [4].

Figura 2.6 Agrupamento de clulas solares para formar mdulos (Painis FV) ou arrays [24].

Como principais vantagens associadas a esta tecnologia importante referir [25]:

Converso directa da radiao solar em energia elctrica;

Sem movimento de componentes mecnicas, logo sem barulho;

Sem temperaturas elevadas;

Sem poluio;

Os mdulos FV tm uma longa durao;

A fonte de energia, o sol, grtis, inesgotvel

Os painis FV so uma fonte de energia muito flexvel e a sua potncia pode

variar de microwatts a megawatts.

2.5.4 Pequenas e micro-turbinas-elicas

As turbinas elicas, tambm designadas por aerogeradores, tm como funo transformar

a energia cintica do vento em energia elctrica. Recentemente, este tipo de tecnologia tem

apresentado crescimentos acentuados, nomeadamente no que respeita sua integrao em


50

parques elicos, onde cada aerogerador tem potncias na ordem das centenas de kW at

cerca de 5 MW [4].

No que diz respeito s pequenas e micro-turbinas ellicas, destinadas a serem instaladas

em locais do tipo residencial, e com potncias na ordem de 1 kW at 25 kW, so

normalmente projectadas para serem colocadas em telhados. No entanto, aspectos

relacionados com os nveis de rudo que provocam, impacto visual e respeito nos requisitos de

segurana a nvel estrutural e elctrico, tm vindo a dificultar a sua instalao, em especial

nos ambientes urbanos [4].

importante referir que o vento, assim como outras fontes renovveis, possui um certo

nmero de vantagens ambientais, como por exemplo:

No produz resduos;

No polui guas subterrneas;

No afecta negativamente a vida vegetal circundante;

No emite dixido de carbono para a atmosfera;

Da mesma forma que as restantes tecnologias de micro-gerao, as micro turbinas elicas

so um grande contributo para reduzir a dependncia dos combustveis fosseis tornando

possvel uma quase total independncia energtica. Aliado a este factor, existem ainda

benefcios resultantes de uma possvel entrega de excedente rede pblica.

Alm de todos os benefcios atrs referidos, aspectos estticos relacionados com a

integrao das micro-turbinas elicas em ambiente construdo no podem ser deixados de

parte. Interessa portanto garantir que este tipo de tecnologia se enquadre da forma mais

harmoniosa possvel nos locais de instalao. No sentido de dar resposta a este requisito,

foram desenvolvidos alguns aspectos tecnolgicos destes tipos de unidades de micro-gerao,

sendo de referir as turbinas de eixo vertical e as de eixo horizontal. A figura 2.7 ilustra a

principal diferena entre estes dois grandes tipos de micro-turbinas elicas. Contudo existe

uma espcie de padronizao para este tipo de tecnologia, que se caracteriza pela micro-

turbina elica de eixo horizontal e de trs ps.

De acordo com [4], nas turbinas de eixo horizontal as ps da turbina rodam sobre um eixo

horizontal como nos tradicionais moinhos de vento, enquanto que nas turbinas de eixo

vertical, a turbina projectada para rodar sobre um eixo posicionado verticalmente. Existem

alguns resultados que indicam que este tipo de turbina (eixo vertical) mais adequado do

que as de eixo horizontal em localizaes caracterizadas por ventos mais turbulentos [26].

Impactos da produo distribuda nas redes elctricas 51

51

Figura 2.7 Turbinas elicas de eixo vertical (esquerda) e de eixo horizontal (direita)

2.6 Impacto da produo distribuda nas redes elctricas

Os aumentos crescentes da ligao de unidades de PD e micro-gerao nas redes de

distribuio de mdia e baixa tenso tm contribudo para o aparecimento de questes

crticas relacionadas com o planeamento e operao destas redes. De facto, as redes de

distribuio dos diversos nveis de tenso foram previstas para funcionamento com fluxos de

energia unidireccionais, o que pode deixar de ser verificado em resultado da integrao de

nveis crescentes de integrao destas unidades nas redes. Os impactos resultantes da ligao

da PD nas redes de distribuio surgem principalmente devido s alteraes induzidas nos

fluxos de energia de rede, afectando no s a sua magnitude, mas tambm a sua direco [4].

Alguns dos aspectos tcnicos que devem ser avaliados devido integrao da micro-gerao

so [27]:

Esquemas de proteco

Qualidade da energia fornecida

Estabilidade

Operao da rede

Perfil de Tenso

Para alm destes aspectos, que sero referenciados nas seces seguintes, a integrao

em larga escala de unidades de PD nas redes de distribuio pode conduzir a benefcios

importantes, tais como a diminuio de perdas e a diminuio da percentagem de carga nos


52

ramos (contribuindo assim para o diferimento de investimentos nas redes) e o aumento dos

perfis de tenso [4].

2.6.1 Esquemas de proteco

A conexo de PD na rede de distribuio pode afectar a operao correcta dos esquemas

de proteco. Ao provocar modificaes na magnitude e direco dos fluxos de potncia, a

ligao de PD nas redes requer uma verificao profunda da coordenao de proteco entre

a rede e a prpria unidade de PD [4]. Em particular a sensibilidade e selectividade do sistema

de proteco no seu todo pode ser afectada.

Outro aspecto importante diz respeito prpria proteco da instalao de PD. A

proteco da

Definição de Limites de Integração de Micro- Geração nas … · Resumo Nas últimas décadas...

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