A incorporação de um modelo de eficiência vinculado ao tempo pode reduzir os custos totais de integração de recursos energéticos distribuídos em 45%, de acordo com pesquisadores da Universidade Federal da Bahia e da Universidade de Tecnologia de Brandemburgo, na Alemanha.
O grupo de pesquisadores propõe a adoção de uma estrutura de tomada de decisão baseada em Programação Não Linear Inteira-Mista (MINLP) para integrar recursos energéticos distribuídos (REDs), como solar, eólico e biogás. Essa análise otimiza as configurações de microrredes, levando em conta as flutuações sazonais da demanda e a influência de políticas de incentivo na viabilidade do sistema.
“Negligenciar essas variações muitas vezes leva a uma superestimação na capacidade das tecnologias instaladas, afetando negativamente o desempenho da microrrede em aplicações do mundo real. Um método de agrupamento para discretizar o horizonte de tempo resultou em uma redução de 45% no custo total da microrrede, devido à utilização mais eficiente de recursos renováveis, minimizando os investimentos em equipamentos e maximizando os benefícios dos créditos de medição líquida”, dizem os pesquisadores.
Eles consideraram um projeto em pequena escala, envolvendo microrredes de até dez casas, como uma prova de conceito. Foram consideradas as demandas de energia para eletricidade, água quente, gás de cozinha e ar de resfriamento em ambientes residenciais, com o objetivo de determinar a combinação e o dimensionamento ideais de fontes renováveis distribuídas para esse conjunto de casas.
O estudo destacou que é mais econômico instalar múltiplas tecnologias e compartilhar energia dentro da microrrede do que investir em equipamentos maiores para casas individuais com maior demanda.
“Essa abordagem aumenta a lucratividade e a eficiência geral, destacando a importância de integrar diversas tecnologias e aproveitar recursos compartilhados em sistemas de microrrede”, escreveram os pesquisadores.
Dividindo o horizonte temporal
Para equilibrar a complexidade do modelo e representar perfis de consumo de forma eficaz, mantendo a viabilidade computacional, a microrrede foi projetada para operar em um horizonte de tempo anual, dividido em estações representativas – primavera, verão, outono e inverno. Isto porque a disponibilidade de recursos, como irradiação solar, velocidade do vento e matéria-prima de biogás, e a demanda de energia têm padrões sazonais distintos no Brasil, influenciados pelo clima.
O grupo de pesquisadores usou um método de agrupamento para capturar esses padrões e segmentar períodos de tempo com base em perfis de demanda e dados ambientais, que refletem com precisão as variações mais críticas em recursos e demanda. Enfrentar os desafios da variabilidade e intermitência na geração e demanda de energia renovável é parte integrante da estrutura proposta. A variabilidade é capturada por meio de métodos de agrupamento, que identificam períodos representativos derivados de dados históricos.
O estudo de caso
O local selecionado é a cidade de Salvador, Bahia, Brasil, considerando a política de crédito de geração distribuída (medição líquida). Como o Brasil não tem um sistema de precificação de carbono definido, para estimar os custos ambientais o estudo usou como referência países como o Reino Unido, que usa um imposto de carbono de R$ 0,12/kg CO2, com base em uma taxa de câmbio de R$ 6,58/£. Considerando que o PIB do Brasil é aproximadamente metade do PIB do Reino Unido, o imposto de carbono foi ajustado para R$ 0,06/kg de CO2. Além disso, o fator de recuperação de capital foi calculado usando uma taxa de juros de 7% ao longo de 20 anos.
A capacidade do modelo de otimização MINLP foi testada com cinco e dez casas, explorando a influência de vários fatores no projeto da microrrede: i) perfis dependentes do tempo para eficiências de geração eólica e fotovoltaica; ii) métodos de discretização do horizonte temporal; iii) número de casas; e iv) perfil de demanda. Três cenários foram considerados para avaliar essas influências:
- Cenário 1: Perfis de eficiência constantes no tempo para painéis solares, coletores solares e turbinas eólicas, com o método de agrupamento para discretizar o horizonte de tempo.
- Cenário 2: Perfis de eficiência dependentes do tempo para painéis solares, coletores solares e turbinas eólicas, com método de agrupamento para discretizar o horizonte temporal.
- Cenário 3: Perfis de eficiência dependentes do tempo para painéis solares, coletores solares e turbinas eólicas, mas usando o método empírico para discretizar o horizonte temporal.
Cada cenário foi comparado a uma linha de base onde nenhum recurso de energia distribuída foi instalado e a eletricidade foi fornecida apenas pela rede central. Para os cenários 1 e 2, a linha de base é idêntica, enquanto o 3 tem uma linha de base diferente devido a diferenças nos métodos de discretização temporal.
Os pesquisadores simularam os três cenários considerando um grupo de cinco casa e outro grupo com 10 casas, o que resultou em diferentes dinâmicas de compartilhamento de energia e aquecimento.
As eficiências constantes no tempo do cenário 1 levaram a uma geração de energia superestimada. Já a consideração de perfis dependentes do tempo no cenário 2 resultou em um cenário mais realista.
Embora os investimentos em energias renováveis aumentem os custos iniciais do cenário 2, apontam os pesquisadores, as economias obtidas com a redução de compras na rede e créditos de medição líquida são cruciais para a viabilidade da microrrede. Negligenciar eficiências variáveis ao longo do tempo no cenário 1 resulta em uma geração de energia superestimada, aumentando os custos em três vezes em comparação com o cenário 2. O método de agrupamento do cenário 2 foi 45% mais econômico do que o método empírico cenário 3.
Nos três cenários, todas as casas contavam com painéis fotovoltaicos.
Viabilidade do Biogás
A viabilidade de incorporar biogás na microrrede foi confirmada em todos os cenários, embora seu uso tenha sido limitado pela disponibilidade de resíduos de biomassa. O biogás continua sendo uma opção competitiva em comparação ao gás natural se fornecido em maior escala pela rede central, especialmente em áreas rurais. Além disso, a energia solar térmica é apontada como uma alternativa viável aos aquecedores a gás para produção de água quente, com coletores solares sendo instalados em todos os cenários, seja em casas individuais ou para uso compartilhado.
A metodologia utilizada na pesquisa e os resultados encontrados estão descritos no artigo “Optimizing Microgrid Design and Operation: A Decision-Making Framework for Residential Distributed Energy Systems in Brazil“, publicado na revista científica Chemical Engineering Research and Design.
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