Geração de eletricidade para abastecimento de veículos elétricos a partir de florestas energéticas Marcos Carvalho Campos mccampos@demec.ufpr.br UFPR – Setor de Tecnologia Curitiba, Paraná, Brasil 14 de julho de 2008.

TM-024 - Geração de Energia São cada vez mais graves as crises energéticas mundiais em função da excessiva dependência de combustíveis fósseis. Reserva energética e matéria-prima única que está sendo esgotada.

TM-024 - Geração de Energia Os países europeus estão extremamente fragilizados por esta dependência, econômica e socialmente, bem como outros países.

As consequências ninguém sabe dizer ao certo, mas é possível reverter esta situação de fragilidade utilizando alternativas.

Recentemente, o governo português assinou acordo com montadora para disseminar o uso de veículos elétricos naquele país. O problema será: onde obter energia elétrica para abastecer estes veículos, sem utilizar combustíveis fósseis ?

Pode não ser tão difícil se observarmos outras experiências, utilizar criatividade e a cooperação entre cidadãos: os principais interessados.

A idéia que se apresenta refere-se a constituição de empresas que desenvolverão florestas energéticas para fins de geração de energia elétrica para veículos. Complicou ? Não necessariamente:

Todos sabem que um veículo precisa de energia para se movimentar Todos sabem que um veículo precisa de energia para se movimentar. 1 litro de gasolina contém aproximadamente 32 MJ (32 Mega-Joule) de energia. Fazendo alguns cálculos simplificados, um veículo elétrico médio precisará de uma potência de 12,5 kW (12,5 kilo-Watts), instalada em algum lugar para se mover, ou seja, para recarregar suas baterias com determinada frequência.

Usei como exemplo uma pequena cidade de Portugal: Trancoso. Coloquei um quadrado de área passível de ser reflorestada e manejada para fornecer energia para abastecer um veículo. Aproximadamente 25 mil metros quadrados !!! Parece muito e é !!! Relativamente ... A taxa de cálculo de produção é 500 kW (500 kilo-Watts) elétricos para 1 quilômetro quadrado de manejo.

Fluxo de energia Energia Solar  Floresta energética  Central Térmica  Energia elétrica  Carga para veículos Floresta energética é uma área constantemente replantada com determinada espécie, ou com variação de espécies, visando abastecer com combustível renovável uma central térmica com turbina a vapor produzindo energia elétrica.

Será que a pequena cidade tem este número de veículos ? Em uma perspectiva maior, esta é área para abastecer 30 veículos, ou seja, 0,75 km2. Será que a pequena cidade tem este número de veículos ?

Considerando a área para 30 veículos ...

Observa-se que é uma área sem muita cobertura vegetal, pois é o que parece na imagem. Isto ocorre em muitas áreas neste país e no mundo todo: muitas áreas que podem ser recuperadas para um fim útil e quase imediato.

Recuperar áreas degradadas >> Manejo florestal Início dos ciclos de manejo florestal

De uma vista acima, observa-se que a área para 30 veículos, se torna “pequena” (observa-se pela escala da imagem) ...

Mais acima, a área fica quase desprezível ...

Em uma escala maior pode-se pensar em geração distribuída para abastecer uma frota de veículos elétricos considerável !!!

A área total em branco na imagem equivaleria a 780 veículos médios, próximo a Viseu – Portugal . As áreas de manejo florestal não precisam necessariamente ser contínuas em grande escala...

o importante é estarem próximas a central térmica e ... (10 MW) divisor de águas localizadas em cotas (em relação ao nível do mar) acima da central para facilitar o transporte da madeira, em veículos elétricos maiores. Os rios indicam a declividade do terreno.

A área de abastecimento de energia elétrica da central poderá ser um sistema isolado ... (10 MW) ou utilizar a rede elétrica local, o que dependerá de estudos específicos.

27.500 m2 73.500 m2 34.800 m2 63.600 m2 84.200 m2 48.500 m2 35.600 m2 69.000 m2 50.300 m2 101.900 m2 66.200 m2 72.300 m2 Total = 723.500 m2 Analisando uma área total de 10.970.000 m2 (da imagem) observa-se consideráveis extensões de terra que podem ser recuperadas e manejadas. Cada região demandará estudos específicos para estabelecer áreas adequadas para florestas energéticas, considerando, em primeiro lugar, os interesses dos proprietários, que poderiam se associar para fornecer matéria-prima para a central.

É provável que haja grandes áreas desmatadas próximas as cidades de médio porte.

Alguns terrenos de rocha aflorada podem ser recuperados com cobertura de solos retirados das descargas de fundo de reservatórios de usinas hidrelétricas,

como parece ser o caso desta área na imagem de satélite.

Comparando a área afetada pelo manejo com a área de atendimento do sistema elétrico, observa-se uma relação de um para um, a grosso modo. Central (10 MW) Será que esta região, de aproximadamente 300 km2 , em torno da cidade de Viseu comporta, está capacitada para, mais do que 780 carros de porte médio (até 1.200 kg) ? E o transporte público (um ônibus demanda aprox. 150 kW) ? Aumentaria muito a área de manejo florestal para atender também o transporte público ?

E os custos ?

Começando pelos preços e câmbios recentes, Julho, 2008 Começando pelos preços e câmbios recentes, e mais um pouco de conceitos em energia ...

Custo equivalente elétrico da gasolina A energia térmica de 1 MJ (Mega-Joule) tem um equivalente elétrico de 0,27 kWh (kilo-Watt hora), se pensarmos em termos da máquina, de veículos e outros objetos que consomem energia. Ou seja, o litro de gasolina que um veículo comum recebe equivale a 32 MJ térmico, será o equivalente para um veículo elétrico receber 8,8 kWh em energia elétrica. O que cada tipo de veículo realiza com a mesma quantidade de energia fornecida dependerá da eficiência deste e de outros fatores.

Então, considerando o preço de um litro de gasolina igual a : R$ 2,50 EU$ 1,33 US$ 0,79 Chega-se a conclusão que, em termos elétricos, o custo da energia equivalente fornecida será : R$ 2,50 / 8,8 kWh = R$ 0,284 / kWh = R$ 284,10 / MWh. Brasil € 1,33 / 8,8 kWh = € 0,151 / kWh = € 151,14 / MWh. Portugal US$ 0,79 / 8,8 kWh = US$ 0,089 / kWh = US$ 89,77 / MWh. USA R$ 143,64 / MWh. USA Brasil 1 US$ = R$ 1,60 1 € = R$ 2,50 R$ 377,50 / MWh. Portugal Observa-se que a energia que alimenta os veículos em Portugal está 33% mais cara que no Brasil e 162 % a mais que nos Estados Unidos.

R$ 284,00 / MWh. € 151,14 / MWh. US$ 89,77 / MWh. De maneira simplificada, estes são os preços que deve-se comparar com os custos de geração e distribuição de energia elétrica até os veículos elétricos, para se ter uma noção inicial da vantagem do uso de florestas energéticas, ou qualquer outra fonte renovável, para abastecer veículos elétricos. Não se irá, aqui, “utilizar” o aquecimento global como justificativa para o uso de fontes renováveis de energia em substituição ao petróleo para locomoção. Espera-se mostrar que o preço da energia seja uma boa justificativa.

Fontes de energia renováveis Para se fazer uma comparação é preciso analisar os custos de geração das fontes de energia renováveis. Fontes de energia renováveis Hidroelétrica Eólica Biomassa Solar Térmicas solares (com concentradores) Foto-voltaica Torres solares (com turbinas eólicas) Não se considerará, neste caso, os resíduos urbanos como fonte renovável em função da composição deste, que pode conter plásticos com origem no petróleo. Nesta análise excluiu-se também a biodigestão de resíduos da área rural, energia geotérmica e a energia possível de ser extraída de ondas do mar e marés.

Um aspecto importante é o fator de capacidade de uma usina ou central para avaliação de custos. Representa o quanto gera-se efetivamente de energia elétrica em função da potência instalada máxima desta usina. Fontes de Energia Centrais ou usinas Sistema elétrico EA EE PINST EP Isto ocorre devido ao fato de que a fonte de energia pode não ser constante ao longo do período de tempo considerado para cada tipo de fonte de energia.

Fator de capacidade de usinas de energia renováveis Hidroelétrica De maneira simplificada, então, calcula-se a energia elétrica gerada anualmente em uma usina com a seguinte fórmula: EG = Energia elétrica gerada anualmente (MWh) PINST = Potência elétrica máxima instalada na usina (MW) FC = Fator de Capacidade médio da usina ( de 0 a 1 ) 8.760 = Número de horas em um ano EG = PINST x FC x 8.760 Fator de capacidade de usinas de energia renováveis Hidroelétrica Eólica Biomassa Solar 0,2 a 0,4 1 0,3 a 0,5 0,8 a 0,95 0,4 a 0,7 Alguns valores típicos de fator de capacidade: Os fatores de capacidade de hidroelétricas e de centrais com biomassa são maiores porque pode-se “armazenar” a energia: reservatório de hidrelétricas e pátios de biomassa das centrais.

Geração anual de usinas de energia renováveis A energia elétrica gerada anualmente (MWh anuais) em uma usina de 1 MW será então: EG = PINST x FC x 8.760 Geração anual de usinas de energia renováveis Hidroelétrica Eólica Biomassa Solar 1.750 a 3.500 8.760 MWh 2.630 a 4.380 7.000 a 8.350 3.500 a 6.130

Os custos de geração de energia elétrica são compostos de: Composição de custos de geração 1 - Amortização do capital investido na usina 2 - Custos de operação e manutenção 3 - Combustível (caso da usina à biomassa) 4 - Ganho dos investidores 5 - Impostos

Custos unitários de implantação de usinas de energia renováveis 1 - Analisando o peso da amortização do investimento na usina no custo da energia elétrica gerada, para as fontes consideradas: Usando os seguintes valores típicos de custos unitários de implantação ... Custos unitários de implantação de usinas de energia renováveis Hidroelétrica Eólica Biomassa Solar 4.000 ou mais US$ 10.000 / kW ou US$ 10.000.000 / MW 1.300 a 2.000 1.000 a 1.800 800 a 2.500 US$/kW * Aquecedores solares tem custos equivalentes menores, mas não geram energia elétrica.

Custos de implantação de usinas 1 MW de energia renováveis pode-se calcular valores de investimento de capital para uma usina de 1 MW em US$, e ... Custos de implantação de usinas 1 MW de energia renováveis Hidroelétrica Eólica Biomassa Solar 4 milhões ou mais US$ 10 milhões 1,3 a 2 milhões 1 a 1,8 milhões 800 mil a 2,5 milhões US$

Custos de amortização anual de usinas 1 MW de energia renováveis então, é possível calcular valores de amortização de capital anual, considerando-se taxa de juros de 5% e período de amortização de 10 anos (Fator de recuperação de capital igual a 0,13) para uma usina de 1 MW, de cada uma das fontes de energia: Custos de amortização anual de usinas 1 MW de energia renováveis Hidroelétrica Eólica Biomassa Solar 520 mil ou mais US$ 1,3 milhões 170 a 260 mil 130 a 235 mil 100 a 325 mil US$

Parcela de custos de amortização anual em usinas 1 MW Dividindo-se o custo anual de amortização pela energia elétrica gerada neste período, tem-se a parcela deste item no custo da energia, em US$/MWh (dólares por Mega-Watt hora): Parcela de custos de amortização anual em usinas 1 MW Hidroelétrica Eólica Biomassa Solar US$ 150,00 / MWh 18,60 a 28,20 59,40 a 64,60 148,60 ou mais 28,60 a 53,00 Observa-se o efeito do alto custo de implantação de usinas solares e de seu baixo fator de capacidade somente nesta parcela do custo da energia gerada por esta fonte diretamente. Felizmente, as três demais fontes são originárias da energia solar, de maneira indireta. Portanto, ao utilizarmos estas fontes, de fato estaremos utilizando energia solar mais barata. Espera-se que, no futuro, os custos de conversão direta da radiação solar em energia elétrica sejam bem inferiores aos atuais. Como não é coerente adiantar esta possibilidade, nesta análise, se descartará a alternativa de energia solar direta, a partir deste ponto.

Custos anuais de operação e manutenção de usinas de energia renováveis 2 - Analisando o peso dos custos de operação e manutenção da usina no custo da energia elétrica gerada, para vários tipos de fonte: Usando os seguintes valores típicos de custos unitários de operação e manutenção ... Custos unitários de operação e manutenção de usinas de energia renováveis Hidroelétrica Eólica Biomassa US$ 500 / kW / ano 40 a 100 200 a 300 100 a 150 US$ / kW / ano calcula-se os custos anuais de operação e manutenção para uma usina de 1 MW (1.000 kW). Custos anuais de operação e manutenção de usinas de energia renováveis Hidroelétrica Eólica Biomassa US$ 500 mil / ano 40 a 100 mil 200 a 300 mil 100 a 150 mil US$ / ano

Parcela de custos de operação e manutenção anual em usinas 1 MW Dividindo-se os custos anuais de operação e manutenção pela energia elétrica anualmente gerada tem-se a parcela deste item no custo da energia, em US$/MWh (dólares por Mega-Watt hora): Parcela de custos de operação e manutenção anual em usinas 1 MW Hidroelétrica Eólica Biomassa 28,60 a 35,90 15,20 a 22,80 24,50 a 28,60 US$ 50,00 / MWh

Somando-se os custos anuais médios de amortização do investimento na usina com os custos anuais médios de operação e manutenção, ambos com base na energia elétrica anualmente gerada, tem-se os seguintes valores: Hidroelétrica Eólica Biomassa US$ 200,00 / MWh 62,00 41,00 26,50 67,50 US$ / MWh 23,40 32,30 55,70 US$ / MWh 19,00 81,00 US$ / MWh Observa-se que o custo de geração por biomassa é menor que os demais, principalmente em função de seu maior fator de capacidade, que pode chegar a 0,95. O maior custo de geração ocorre para energia eólica, dentre os três tipos acima, principalmente devido aos seus menores fatores de capacidade, apesar dos seus custos de operação e manutenção serem menores.

3 - Analisando o peso do combustível renovável (biomassa) nos custos da energia elétrica gerada para este tipo: Poder calorífico da madeira: PCI = 4.000 kcal / kg PCI = 16.720 MJ / ton PCI = 16.720 kJ / kg Para obter 8.100 MWh anuais de energia elétrica, a partir de biomassa plantada especificamente para este objetivo, considerou-se a eficiência da central térmica de 1 MW próxima do valor de 31%, de modo a determinar a energia térmica necessária: Energia Elétrica = 8.100 MWh / ano Energia Térmica = 26.130 MWh / ano 31% (inverso) Equivalente a : Energia Térmica = 94.000.000 MJ / ano Quantidade anual de madeira = Energia Térmica anual PCI Quantidade anual de madeira = 94.000.000 16.720 5.620 ton / ano

Considerando o preço de uma tonelada de madeira igual a : US$ 52,00 (Este valor foi adotado com base nos preços do Brasil, que na atualidade são menores) Calcula-se os custos anuais de aquisição de combustível para uma usina a biomassa de 1 MW, com fator de capacidade igual a 0,92: Custos anuais de combustíveis de usinas de energia renováveis Hidroelétrica Eólica Biomassa US$ 500 mil / ano 290 mil O custo do combustível por unidade de energia gerada será igual a: Custo por unidade de energia = US$ 290.000 8.100 MWh 36,00 US$ / MWh =

Somando-se os custos obtidos até aqui, tem-se os seguintes valores: Hidroelétrica 67,50 US$ / MWh 41,00 26,50 Biomassa 91,70 US$ / MWh 23,40 32,30 36,00 Eólica 81,00 US$ / MWh 62,00 19,00 US$ 200,00 / MWh Somando o combustível necessário, a geração com biomassa passa a ter o maior custo de geração. Porém, as três formas renováveis de geração estão com os custos internos menores do que US$ 100,00 / MWh (cem dólares por Mega-Watt hora), considerando as premissas anteriores.

Estes custos em € : Hidroelétrica 43,30 € / MWh Gasolina € 151,14 / MWh Biomassa 58,70 € / MWh Eólica 51,92 € / MWh € 130,00 / MWh As três formas renováveis de geração estão com os custos internos menores do que € 60,00 / MWh (sessenta euros por Mega-Watt hora), considerando as premissas anteriores. Infelizmente, novos aproveitamentos hidroelétricos serão poucos, e as usinas eólicas ficarão cada vez mais longe dos centros de carga, implicando em custos de transmissão.

A partir deste ponto da análise será necessário estimar preços de venda da energia, conforme o mercado objetivo estabelecido. Brasil Portugal USA R$ 284,00 / MWh. R$ 377,85 / MWh. R$ 143,63 / MWh. €$ 113,60 / MWh. €$ 151,14 / MWh. €$ 57,54 / MWh. US$ 177,50 / MWh. US$ 236,16 / MWh. US$ 89,77 / MWh. Lembrando o preço da energia (equivalente elétrica) de um litro de gasolina: € 151,14 / MWh Acredita-se que se possa trabalhar com uma perspectiva de € 130,00 / MWh para o preço final da energia no abastecimento de veículos, sendo que 65% deste seria destinada à geração e os outros 35% à distribuição, uma vez que os cuidados com as baterias devem ser diferenciados. Isto sugere a criação de outras empresas associadas ao sistema de veículos elétricos, além das de geração de energia com fontes renováveis: empresas especializadas em baterias de veículos. Com estes números pode-se calcular as parcelas de lucro e impostos para cada MWh fornecido por centrais térmicas a biomassa e por outras fontes renováveis.

Portugal 70% 4.620 = 6.625 Área total de 92.391 km2 População de 10.600.000 Área de 9.239 km2 10 % de florestas energéticas (estimativa) 1 veículo particular para cada 20 habitantes (estimativa) 530.000 veículos Potência instalada: 4.620 MW 500 kW para cada km2 de manejo (uma produtividade normal) 1 veículo particular médio precisa de 12,5 kW (São necessários mais estudos para quantificar melhor esta premissa, que dependerá fortemente dos utilizadores) Potência necessária: 6.625 MW 70% 4.620 6.625 = Esta análise simplificada mostra que é possível buscar um objetivo tão almejado: locomoção com balanço de emissões igual a zero. São necessários estudos mais aprofundados, mas se considerarmos que a estimativa de 12,5 kW é um pouco alta para veículos elétricos de médio porte, e que a eficiência deste tipo de veículo é maior, a potência necessária poderá ser um pouco menor. Por exemplo, para uma potência média por veículo de 10 kW (14 CV), o percentual acima passa de 70% para 87% ! O transporte público poderá ser atendido prioritariamente, em função de seu maior uso pela população.

Navegar por mares nunca dantes navegados Parcerias rendem frutos. Agradecimentos ao Eng. Ivo Augusto de Abreu Pugnaloni, neto de portugueses. Parcerias rendem frutos. 22 de julho de 2008.