Autor: Eng. Joel Pugas Martins -Gerente técnico da JPA Smart Energy
Artigo publicado na Revista Potência Nr. 165
O modelo atual de instalação elétrica foi todo baseado no conceito de que a energia elétrica deveria ser transportada de uma fonte de geração normalmente muito longe do ponto de consumo. e por isso era muito importante escolher uma tecnologia que permitisse esse transporte de forma eficiente, com o mínimo de perdas possível. E foi tal requisito então que deu vitória à proposta de Tesla/Westinghouse na chamada guerra das correntes no final do século XIX, com a corrente alternada (CA), contrapondo à proposta de Thomas Edison que defendia a corrente contínua (CC).
Sem dúvida é a melhor forma de fazer esse transporte, considerando o fato de que a eletricidade na forma alternada permite facilmente ter sua tensão elevada para minimizar as perdas ao atravessar grandes distâncias e depois convertê-la em baixa tensão, adequando-a ao seu uso.
É um caminho longo, como mostrado na figura 1 abaixo, exigindo grandes usinas geradoras, longas linhas de transmissão, subestações elevadoras e uma intrincada rede de distribuição. Uma parafernália de torres, postes, cabos, transformadores, chaves, disjuntores, isoladores, etc. além de ativos valiosos como vastas áreas de terras para acomodar todos esses elementos. Ainda precisaremos de escassos terrenos em áreas urbanas para também acomodar as subestações abaixadoras e espaços subterrâneos e aéreos nas calçadas das cidades, sendo que estes últimos, mais comum, ainda poluem visualmente a paisagem urbana.
Temos assistido nos últimos 30 anos uma busca cada vez maior por fontes de energia renováveis na geração de energia elétrica. Busca essa que se fez necessária para diminuir o efeito nocivo do aquecimento global devido a emissão de gases do efeito estufa quando se usa combustíveis fósseis nos geradores elétricos, muito comum ainda nos países mais desenvolvidos. Já no Brasil o uso de fontes renováveis para este fim felizmente é predominante, porém está muito baseado no potencial hidráulico de rios e lagos, que exigem grandes investimentos e causam grande impacto ambiental. E mais recentemente o eólico, apesar de menor impacto, ainda assim, como o hidráulico, está muito distante dos grandes centros consumidores, exigindo ainda a construção de longas linhas de transmissão.
Já a energia solar, neste aspecto é diferente, pois não é concentrada como a hidráulica ou a eólica, é até mesmo muito dispersa, e neste sentido então ela parece ser a fonte de energia distribuída por excelência, visto ser a mais distribuída possível, ou seja, o sol está em todo lugar, só variando a intensidade de um lugar para o outro, mas estará sempre presente. É o sol fazendo o papel das linhas de transmissão e das redes de distribuição, levando energia até o consumidor, sem necessidade de todos esses ativos e as perdas inerentes. Essa energia então é convenientemente convertida em eletricidade, pronta para seu uso no local.
Ora, a energia então já temos no local do consumo, basta só aproveitá-la de forma a mais racional e econômica possível. A energia solar fotovoltaica (FV) é a que tem se mostrado a melhor para cumprir esse papel. E na verdade isso já vem silenciosamente acontecendo. É notório o aumento de instalações de geradores solares nos últimos anos. É um processo que vem crescendo e se consolidando. Cada vez mais veremos casas com os seus painéis fotovoltaicos, inversores conectados à rede de CA da concessionária, compartilhando a energia elétrica agora sendo gerada no ponto de consumo. É a chamada geração distribuída.
É um processo irreversível. Todos terão um dia nos telhados das suas casas, nos prédio residenciais, comerciais/ industriais um gerador fotovoltaico. E o que virá depois?. A energia solar já estará consolidada como fonte para quase toda a energia elétrica que precisaremos. Neste momento vamos começar a repensar o formato dessa energia, a forma como até hoje ninguém nunca questionou, é algo tão enraizado no conceito da instalação elétrica que nunca pensamos em fazer diferente.
Olhando a figura 2 abaixo vemos que a energia elétrica é gerada no formato de CC nos painéis FV e depois convertida em CA na tensão de rede: 220V, 380V, etc, para que possa ser consumida pela carga local (eletrodomésticos, máquinas, iluminação, eletrônicos, aquecedores, etc) ou exportada para a rede de CA local, no regime de compensação vigente, para uso posterior. É o sistema fotovoltaico operando no regime conectado à rede de distribuição, também conhecido como “on-grid” ou “grid-tied”. Mas perceba que são equipamentos projetados para serem alimentados pela energia elétrica em CA, porque essa energia nasce em CA nas usinas geradoras, escolha essa devido ao resultado da guerra das correntes citada acima, após uma emblemática disputa entre personagens de peso do setor. E como sabemos venceu a CA, pela óbvia e inquestionável vantagem que esta propicia na transmissão em longas distâncias e distribuição local.
Então todos os equipamentos elétricos que usamos de uma maneira geral são alimentados por CA não porque eles precisam da eletricidade neste formato (CA), mas devido a sua disponibilidade no local. A maioria desses equipamentos na verdade precisam é da eletricidade no formato de CC, e são obrigados internamente a fazer a conversão de CA para CC.
Se pudéssemos agora disponibilizar a eletricidade em formato de CC no local de consumo eliminaríamos do processo de geração local a necessidade de conversão de CC para CA e depois para CC novamente. Não haveria mais a necessidade do inversor nos geradores fotovoltaico e dos retificadores nos equipamentos que compõem parte da carga elétrica, o que diminuiria consideravelmente os custos e as perdas inerentes, estimadas em 20%. Vejamos então como ficariam as principais cargas elétricas de uso doméstico, por exemplo, se estas fossem alimentadas diretamente por uma tomada servida de CC.
– Equipamentos eletrônicos
Os equipamentos eletrônicos, tais como televisores, computadores, aparelhos de som, sistemas digitais em geral, carregadores de lap-top, celulares, etc, e também os eletrônicos de potência, tais como os fornos de micro-ondas e os fogões de indução, funcionam em CC. Todos eles agora poderiam então ser alimentados com CC diretamente das tomadas, eliminando assim a necessidade de circuito de conversão dentro dos mesmos.
– Iluminação
A iluminação, agora como temos visto nos últimos anos, vem migrando para a tipo LED, muito mais eficiente: mais lumens por watt de energia elétrica. Seu funcionamento é muito semelhante a dos equipamentos eletrônicos já relatados acima, e portanto igualmente teria seu custo de produção e consumo reduzidos (não necessidade do retificador CA/CC). Já as antigas lâmpadas fluorescente fazem uso da CA, e sua versão em CC exigem um circuito eletrônico mais complexo, o que as tornam mais caras que a versão em CA. Mas já tem disponível no mercado a tipo LED tubular que simula uma lâmpada tubular fluorescente convencional, com a vantagem de ser mais eficiência e operar em CC
– Aquecedores
Aquecedores que utilizam resistência elétrica, tais como chuveiros, reservatórios de água quente (“boilers”), fornos e fogões elétricos funcionam baseados no principio simples de uma corrente elétrica circulando por uma resistência ôhmica, que pelo efeito joule gera calor. Poderiam facilmente, com pequenos ajustes, operar igualmente em CC.
– Máquinas com motores elétricos
A mudança mais sensível, e que poderá causar maior impacto, deverá ocorrer nos eletrodomésticos e equipamentos em geral que utilizam motores elétricos, tais como geladeiras, freezers, máquinas de lavar, aparelhos de ar-condicionado, bombas de calor, bombas de água, etc. A diferença no design entre motores em CA e CC é bastante relevante. Os motores em CA são usados numa escala bem acima da CC, e por isso tem seu custo muito menor. Mas a tecnologia de motor em CC já existe e é bem desenvolvida, é só uma questão de adequar a escala. Certamente não será impeditivo para o avanço da CC.
– Carro elétrico
E ainda está vindo mais uma importante carga que vai se “pendurar” em nossas casas: o carro elétrico. Ele já nasceu com voracidade por CC, sem nenhum resquício de CA, pelo contrário, futuramente poderá aos poucos eliminar a necessidade de ter internamente o peso morto do retificador CA/CC, como possuem atualmente. E ironicamente o avanço do carro elétrico trará junto a sua bateria de alta performance que servirá de acumulador de energia para as casas da qual deve se servir.
Na figura 3 abaixo vemos agora como ficaria a configuração do sistema fotovoltaico no regime não mais conectado à rede de distribuição, operando totalmente com CC., formando o que vem sendo chamado de “microgrid” (micro-rede), neste caso em sua menor dimensão. Prédios comerciais ou industriais e mesmo grupos de pequenos consumidores poderiam formar cada um sua própria micro-rede em maiores dimensões, mas todos eles desconectados da rede de distribuição de energia da concessionária local (“off-grid”).
Quantos aos dispositivos usados na rede elétrica, aqui entendida como sendo somente aquela interna a construção predial, pois a energia é gerada no local, então não há o que se falar na rede de distribuição ou linha de transmissão. Exceção para aqueles grandes consumidores que não terão capacidade de geração própria e deverão importar energia da rede externa como é feito atualmente. Essa rede que garante a distribuição da energia elétrica internamente ao prédio com eficiência e segurança é o que costumamos chamar de “instalação elétrica predial”, com todos os seus dispositivos, tais como condutores, conectores, quadros de comando com disjuntores, chaves, fusíveis, DPS, DR, contadores, etc. Todos eles já existem para CC, e com a utilização em escala terão seus custos também reduzidos. Seu uso até trará vantagem, como por exemplo, os condutores elétricos que não terão mais a parcela da resistência pelicular devido ao 60hz, vantagem essa que compensará o acréscimo das seções devido ao provável aumento nos níveis de corrente em CC.
Outros problemas desaparecerão, tais como tensões induzidas indesejáveis, ruídos e perdas de transformadores, choques elétricos (se a tensão padronizada for de 24Vcc, por exemplo). Como teremos menos fontes retificadoras, lâmpadas fluorescentes, transformadores saturados e até mesmo os inversores dos sistemas FV, as harmônicas que infestam as redes de CA causando desgaste precoce aos aparelhos, ficarão bastante reduzidas nas redes de CC, ou melhor, serão consideradas como mera oscilações na tensão em CC. Também não haveria mais perdas de energia devido às correntes parasitas das potências reativas, geradas por excesso de cargas indutivas/capacitivas, quando alimentadas por CA.
Sem a necessidade de conversão de CC para CA haverá aumento da eficiência nos sistema FV. Teremos uma energia com CC pura entre os painéis FV no telhado, o carro elétrico na garagem e a bateria de alta performance como acumulador.
Nos EUA já existe um grande número de empresas que já fabricam eletrodomésticos em CC e entidades trabalhando para criar normas e padrões para produtos e instalações envolvidos neste novo jeito de consumir energia elétrica.
A figura 4 abaixo mostra a interação dessas cargas dentro de uma casa, formando uma micro-rede somente em CC pura, ou seja, não é fruto de conversão de CA para CC.
Já vemos um movimento muito grande nas indústrias, nos encontros técnicos, simpósios, associações em geral, etc., mostrando a necessidade e o interesse em desenvolver um meio eficiente e economicamente viável para armazenamento da energia elétrica. Pelos menos 2 tecnologias já vem se despontando: a bateria de íons de lítio de alta performance, e as células a combustível, ambas tendo o carro elétrico como principal “alavancador”. O hidrogênio, base das células a combustível, pode ser sim considerado um meio de armazenar energia elétrica, já que é produzido a partir da eletricidade (eletrólise da água) e já existem tanques especiais que podem armazená-lo. Esse hidrogênio então poderá depois ser facilmente convertido de volta para energia elétrica, utilizando-se dessas células a combustível.
– Conclusão
Em quase todas as publicações na internet sobre “prós e contras” da energia elétrica em CA, vemos que as vantagens são bastantes contundentes, principalmente quando se trata de transportá-la em longas distâncias e distribuí-la depois para consumo, visto que a tesão da eletricidade em CA é muito mais fácil de ser convenientemente ajustada, para cima ou para baixo. Vantagem essa já percebida no final do século XIX, o que a fez então ser a adotada como padrão no mundo todo.
Era um cenário bastante propício para a CA, visto que a geração da energia elétrica era centralizada e feita por grandes e pesadas máquinas eletromecânicas que exigiam quantidade enorme de energia, seja na forma hidráulica ou de combustível fóssil. Exigiam também investimentos elevados que só se justificariam se fossem para uma produção no atacado, como é a geração centralizada.
Com o advento de novas tecnologias, principalmente a fotovoltaica, a geração passou a ser possível localmente, descentralizada, ou como vem sendo chamada de geração distribuída. O que antes era a principal vantagem da CA deixa de ser na geração local. Neste cenário a energia elétrica em CC começa a despontar como mais vantajosa que em CA. Será uma mudança muito lenta, pois temos toda uma infra-estrutura voltada para a CA, e a CC será adotada nas novas instalações na medida em que elas se mostrarem viáveis tecnicamente e economicamente mais vantajosas. Por exemplo, num projeto de um condomínio residencial arrojado o empreendedor pode decidir por adotar para cada unidade uma geração fotovoltaica com armazenamento em baterias de alta performance, sem necessidade do serviço da concessionária local. O custo de manutenção dessa micro-rede “off-grid’ será pago pela economia gerada com a eliminação da taxa mínima e seus impostos cobrada para se manter conectado na rede de distribuição local.
Certamente seria um projeto que propiciará mais energia elétrica, que é sinônimo de conforto e qualidade de vida, com geração sustentável e menos impacto no meio-ambiente, e principalmente com menos gastos no final do mês na “conta de luz”, e por que não, também no “posto de gasolina”.
Essa mudança pode até nos lembrar um pouco o que foi a união do telefone celular com a internet, que fez surgir o “smart-fone”, uma verdadeira revolução na forma de como nos comunicamos e acessamos as informações, e neste caso será a união da geração fotovoltaica com as novas tecnologias de armazenamento de energia. É um processo irreversível, que certamente virá e trará mais conforto para toda a sociedade.