Peak shaving and energy management for distributed photovoltaic generation and energy storage systems for residential consumers

Orientador: Carla Kazue Nakao CavalieroDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Nos últimos anos, importantes mudanças no setor elétrico brasileiro e mundial vêm sendo impulsionadas por uma confluência de fatores, afetando diretamente a forma como a energia elétrica é fornecida e utilizada pela população. Dentre os principais fatores, destaca-se a crescente descentralização dos sistemas de energia e o fomento ao uso de fontes renováveis como parte dos esforços globais de mitigação das mudanças climáticas. A geração distribuída no Brasil, implantada em 2012 pela Resolução Normativa n°482 da ANEEL, vem se mostrando uma alternativa promissora ao atual modelo de planejamento de expansão do sistema elétrico por se tratar de uma solução mais eficiente no uso de recursos energéticos, econômicos e ambientais. A fonte de energia fotovoltaica se destaca atualmente no setor em consequência do vasto território brasileiro e do grande nível de radiação solar disponível ao longo de todo o país. Entretanto, a divergência entre os períodos de geração de energia e os períodos de pico de demanda, principalmente para consumidores residenciais, vem se tornando motivo de preocupação para os sistemas de distribuição e transmissão de energia. À visto disso, a partir de 2018, uma nova modalidade de tarifação, denominada Tarifa Branca, será adotada no Brasil com o objetivo de incentivar os consumidores de baixa tensão a deslocarem o consumo de energia dos horários de ponta para períodos nos quais a rede de distribuição possui menor demanda. Contudo, essa mudança no hábito de consumo de energia, principalmente no setor residencial, muitas vezes é algo impraticável devido à rotina dos moradores, o que faz com que sistemas de gestão de demanda integrado ao armazenamento de carga se tornem uma opção cada vez mais pertinente a fim de reduzir os altos custos da tarifação de energia em horários de ponta. Com o intuito de conciliar a necessidade de fomento às fontes renováveis de energia e a redução dos altos custos da eletricidade, esse trabalho teve como propósito analisar a viabilidade técnica e econômica de um sistema de geração de energia proveniente da fonte solar fotovoltaica, integrado a um sistema de gerenciamento de demanda e armazenamento de energia, instalado em uma residência de porte médio localizada na cidade de Campinas (SP). Esse sistema visa promover um fluxo ótimo entre a geração e a demanda de energia, reduzindo assim os altos custos da energia em horários de ponta através de uma fonte renovável de energia. A análise de viabilidade técnica foi realizada considerando os equipamentos disponíveis e homologados atualmente no mercado brasileiro em conjunto com uma análise de recursos e potenciais energéticos com o auxílio do software PVSyst. Já no âmbito da viabilidade econômica, foi considerado o modelo de tarifação da distribuidora de energia elétrica local a fim de estimar os possíveis cenários pertinentes ao sistema. O custo total do sistema proposto foi estimado a partir de pesquisas com as principais empresas do setor de energia fotovoltaica do pais e totalizou US$ 10.538, gerando uma economia anual de US$ 958 quando comparada com as estimativas de gastos atuais do consumidor. A análise de viabilidade econômica do sistema foi feita através da Taxa Interna de Retorno, adotando como premissas, além do investimento e a economia gerada, os gastos com manutenção e substituição de equipamentos ao longo da vida útil do sistema, obtendo uma TIR de 10%Abstract: Recently, relevant changes in the global and Brazilian power sector have been driven by a confluence of factors. In addition to the new technologies that are making the energy sector smarter and more efficient, there is also a growing incentive to foment renewable sources in the global energy mix, motivated by the decarbonization of the energy system as part of efforts to climate changes mitigate. The distributed generation in Brazil, implemented in 2012 through REN n° 482 by ANEEL, is showing a promising alternative to the current model of expansion of the electric system as it is a more efficient solution in the use of energy and environmental resources. The photovoltaic energy currently stands out in the sector because of the vast Brazilian territory and the great level of solar radiation available throughout the country. However, the asynchrony between periods of energy generation with periods of peak demand, especially for residential consumers, has become a concern for electric power transmission and distribution. As a result, as from 2018, a new modality of tariffs, called Tarifa Branca, will be adopted in Brazil with the objective of encouraging low-voltage consumers to shift energy consumption at peak hours to periods where the distribution network has lower demand. However, this change of energy consumption habits, especially for residential consumers, is often impractical due to the routine of the residents, which makes demand management systems integrated to the energy storage an increasingly relevant option in order to reduce the high costs of energy at peak times. As a way of putting together the need to encourage the renewable sources with the search for reducing electricity cost, this paper proposes a feasibility study of grid connected photovoltaic system, integrated with the battery storage and energy management, installed in a medium-sized residence located in the city of Campinas (SP). The system seeks to promote an optimal flow between the generation and the daily electricity consumption, along with an energy storage system, in order to reduce the high costs of the energy at peak hours through renewable energy sources. The technical feasibility analysis was performed considering the equipment available and currently homologated in the Brazilian market, together with an analysis of energy resources and potentials through the use of PVSyst software. Regarding economic viability, the tariff model of the local electric power distribution company was considered in order to estimate the possible scenarios pertinent to the system. The total cost of the proposed system was estimated from researches in the main companies in the photovoltaic energy sector and totalized US $ 10,538, generating an annual savings of US $ 958 when compared to current consumer spending estimates. The economic feasibility analysis of the system was made through the Internal Rate of Return, adopting as premises, in addition to the investment and the generated economy, expenses with maintenance and replacement of equipment throughout the useful life of the system, obtaining an IRR of 10%MestradoPlanejamento de Sistemas EnergeticosMestre em Planejamento de Sistemas Energético