Energia
Climatização solar em hipermercados
Análise e viabilidade financeira
postado em: 25/02/2015 16:12 h atualizado em: 26/02/2015 11:11 h
A água aquecida nos coletores solares alimenta os ciclos de absorção de calor que, por sua vez, produzem a água gelada para acionar o sistema de ar condicionado
(crédito: Arquivo Nova Técnica)

A crescente demanda por energia elétrica tem causado diversos impactos negativos no seu suprimento, sendo que os hipermercados nacionais, grandes consumidores de energia elétrica, ficam suscetíveis às incertezas. Por conta disso, identifica-se uma oportunidade de aplicação de geração de energia renovável em hipermercados para climatização, em substituição a um sistema convencional com chiller elétrico, considerando a irradiação solar nos municípios de São Paulo, Porto Alegre e Recife. Por meio do uso da água aquecida pela irradiação solar incidente sobre coletores de alta eficiência, usa-se esta água para acionamento de um chiller de absorção de calor que proporcionaria geração de água fria para alimentação de uma rede de água gelada. Este conceito de climatização solar visa economizar grande quantidade de consumo com energia elétrica e consequente diminuição dos custos de operação do sistema de ar condicionado. Além disso, como vantagem adicional também implica em uma diminuição dos níveis de carbono lançados na atmosfera, bem como um alívio ao sistema elétrico nacional.

 

Segundo o Anuário Estatístico de Energia Elétrica (EPE) e o estudo Previsão de Demanda (EPE), o segmento comercial foi aquele que teve o maior aumento no consumo de energia elétrica entre 2011 e 2012, totalizando 7,8%, e é o segmento que possui a previsão de maior aumento de consumo no SIN* no horizonte 2013 - 2023, em que é previsto um aumento de 5,6%, ante o crescimento previsto de 4,4% e 3,5% nos setores residencial e industrial, respectivamente.

Conforme observado nas Resenhas Mensais do Mercado de Energia Elétrica publicados pela EPE, referente aos meses fevereiro a abril de 2014 houve um grande aumento do consumo residencial e comercial devido às altas temperaturas registradas e consequente uso de equipamentos condicionadores de ar. Em média, equipamentos de climatização representam 30% do consumo de energia de um hipermercado (Panesi, 2008). Considerando um hipermercado que possua 5.000 m², tamanho mínimo recomendado pelo SEBRAE/MS, que funcione 14 horas diárias, adotando-se uma carga térmica de 1 TR por cada 25 m², e que possua um chiller elétrico do tipo parafuso e sistema de condensação a água, em que o sistema pode consumir em média a potência elétrica de 1,12 kW/TR (ABEGÁS, 2011 apud COMGÁS, 2010), o que permite estimar o consumo anual de energia elétrica referente apenas ao sistema de climatização represente 1.144,640 MWh. As cinco maiores redes de hipermercados possuem 3035 lojas (ABRAS, 2014) e, considerando que cada uma consuma 1.144,640 MWh/ano com climatização, temos que todas estas lojas consumirão um total de 3.473,98 GWh/ano. Isso representa 0,75% do consumo total de energia elétrica no Brasil e 4,15% comparando com o total de energia elétrica consumida no setor comercial, ambas as comparações consideram o consumo anual de 2013. Cabe ressaltar que o consumo anual do setor comercial representou 18% do total de energia consumida no país em 2013, ou seja, aproximadamente ¼ do total de energia consumido pelo setor comercial pode estar relacionado ao consumo energético de sistemas de condicionamento de ar.

A opção solar

Assim como a energia eólica e a do mar, a energia solar se caracteriza como inesgotável e é considerada uma alternativa energética renovável muito promissora para enfrentar os desafios da expansão da oferta de energia com menor impacto ambiental. As aplicações práticas da energia solar podem ser divididas em dois grupos: energia solar fotovoltaica, que consiste no processo de aproveitamento da energia solar para conversão direta em energia elétrica utilizando os painéis fotovoltaicos e a energia térmica, que usa a tecnologia de coletores planos e concentradores e está relacionada basicamente aos sistemas de aquecimento de água, mas que pode também ser empregada para aquecimento de outros sistemas, bem como para a produção de energia elétrica em ciclos térmicos de potência.

É evidente a importância que a energia solar térmica poderia ter no sistema elétrico brasileiro, principalmente quando sabemos que somente com aquecimento doméstico de água para banho, via chuveiro elétrico, são gastos anualmente bilhões de kWh de energia elétrica que poderiam ser supridos com aquecedores solares, com vantagens socioeconômicas e ambientais. Mais grave ainda é o fato de que quase toda essa energia costuma ser consumida em horas específicas do dia, o período das 17h00 às 20h00, que é chamado de horário de pico. Evidentemente, isto gera uma sobrecarga no sistema elétrico que tem que ser dimensionado para atender esta demanda peculiar.

A energia solar térmica, além de ser uma geração distribuída, e por isso não provocar demanda por expansão e atualização de linhas de transmissão, não requer investimentos governamentais e reduz a demanda por investimentos em novas usinas geradoras de eletricidade. Se a comparação a ser considerada é a termoelétrica, o aquecedor solar ainda pode ser considerado uma alternativa para a redução de emissões de gás carbônico e de poluentes e, consequentemente, contribuir para redução do efeito estufa.

Segundo o Atlas Solarimétrico do Brasil (2000), a radiação solar no Brasil varia entre 8 a 22 MJ/m².dia (2,222 a 6,111 kWh/m².dia), valores que, quando comparados as regiões desérticas do mundo, que são aquelas mais bem dotadas de recurso solar, se mostram bem próximos destas. São exemplos de regiões desérticas a região da cidade de Dongola, no Deserto Arábico, no Sudão, e a região de Dagget no Deserto de Mojave, Califórnia, nos Estados Unidos, sendo que essas regiões possuem, respectivamente, uma média anual de radiação de 6,611 e 5,806 kWh/m² /dia.

Comparando-se a média mensal de insolação nas capitais dos cinco países que possuem a maior quantidade de coletores térmicos, em capacidade de geração, no qual o Brasil era o quinto maior em 2012, vê-se a situação indicada no gráfico da Figura 1.

Com base nos gráficos mostrados na Figura 1, pode-se afirmar que o Brasil possui a melhor sazonalização da irradiação solar durante o ano, isto é, há uma incidência mais uniforme e independente da estação do ano. Além disso, verifica-se também uma melhor média anual. Isto significa mais um fato positivo em relação a viabilidade de uso de equipamentos que aproveitam o potencial solar no país ao longo de todo o ano.

As principais tecnologias disponíveis para aproveitamento térmico do recurso solar são:

- Coletor aberto (não possui cobertura transparente nem isolamento térmico);

- Coletor de placa plana;

- Coletor de tubo evacuado e;

- Coletor concentrador.

 

Neste artigo, é proposto um sistema de climatização solar com coletores de tubo evacuado, pois o sistema necessita ser eficiente em temperaturas entre 80 e 100ºC, faixa de temperatura em que o coletor de tubo evacuado se mostra mais eficiente que os demais coletores.

Este comportamento de desempenho relativo está exemplificado nos gráficos da Figura 2 que mostra que a eficiência global dos três tipos de coletores, sendo que o de tubo evacuado tem uma eficiência essencialmente constante em torno de 70% para uma faixa de temperatura estendida. Esse comportamento é explicado pelo fato de não ocorrer convecção interna no tubo evacuado.

Por outro lado, verifica-se que enquanto os coletores com e sem cobertura de vidro têm sua eficiência reduzida drasticamente quanto maior a diferença entre a temperatura ambiente e a temperatura do coletor, sendo mais acentuada no caso sem cobertura.

 A água aquecida nos coletores solares alimenta os ciclos de absorção de calor que, por sua vez, produzem a água gelada para acionar o sistema de ar condicionado. Há diferentes tipos de tecnologias de sistemas comerciais de absorção de calor, conforme apresentado na Tabela 1.

Há dois tipos principais de tecnologias, os chamados ciclos fechados e os abertos. Nos ciclos fechados o fluido refrigerante percorre um circuito fechado, enquanto que no de ciclo aberto o refrigerante, a água, está em contato direto com ar, sendo basicamente uma combinação de refrigeração evaporativa e desumidificação do ar. No caso dos ciclos de absorção, os tipos de equipamentos mais utilizados são os chillers de água - brometo de lítio e o de água – amônia. Os chillers de amônia geralmente possuem um menor COP, aproximadamente 0,5, comparado aos de água – brometo de lítio, em torno de 0,7 e acima, além de serem mais empregados em sistema muito grandes e que demandam temperaturas abaixo de zero grau, como sistemas de refrigeração por exemplo.

No estudo de viabilidade a ser descrito neste artigo, será utilizado o chiller de absorção de brometo de lítio, equipamento com maior número de fabricantes no mercado atualmente, consequentemente mais barato, e que poderia ser mais facilmente adaptado a um sistema já existente que use chiller elétrico.

Estudo de caso

A seguir será descrita a configuração básica do sistema proposto neste trabalho. Primeiramente, cabe ressaltar que a escolha pelo estudo ser realizado em hipermercados é devido à grande área inclinada deste tipo de empreendimento formada pelo telhado, o que facilita a instalação de coletores solares na quantidade necessária. Inicialmente foi verificada a demanda térmica de um hipermercado para uma área recomendada para a instalação de um hipermercado é de no mínimo 5.000 m² (SEBRAE/MS). A carga térmica estimada para tal tipo de estabelecimento considera que 25 m² demandem 1 TR (Andreos, 2013). Com base nessas informações, pode-se identificar a capacidade do equipamento a ser instalado.

Considerando um hipermercado de 5.000 m², tem-se uma carga térmica de 200 TR (703,37 kW). Sendo este parâmetro que vai balizar a escolha do chiller por absorção a ser utilizado. Além disso, será considerada a instalação em diferentes capitais nacionais devido às diferenças das médias mensais de insolação de cada localidade, é analisada a viabilidade do sistema proposto nas seguintes capitais: São Paulo, Porto Alegre e Recife.

Na Figura 3 pode-se verificar a média mensal de insolação destas capitais.

Cabe ressaltar que o dimensionamento do sistema é feito para atendimento da demanda máxima do chiller no mês de menor insolação. Para obtenção do melhor potencial de uso da energia solar, os coletores devem ser inclinados em direção ao Norte Geográfico, seguindo a convenção utilizada mundialmente no mercado, que considera a latitude local + 10º, para favorecimento de captação no inverno. Também deve ser observado o espaçamento correto entre os coletores para evitar o indesejável problema de sombreamento. O fluido de trabalho dos coletores, uma vez aquecido é bombeado para o reservatório (boiler), que ficará próximo à saída do campo de coletores, e será o responsável por armazenar e manter o volume de água quente. Do reservatório, a água quente é bombeada para alimentar o chiller, que produz a água gelada. A partir deste ponto, o sistema de distribuição de água gelada passa a ser o convencional, em que o sistema de distribuição alcança os fan-coils. No caso de reforma de uma instalação já existente, pode se utilizar o sistema atual, reduzindo os custos de investimento. Este tipo de sistema demanda a instalação de uma torre de resfriamento para o correto funcionamento do chiller, podendo também adequar uma torre já existente. Em todos os locais do sistema que houver circulação de água, esta será forçada, sendo necessário o uso de bombas para tal fim.

A Figura 4 apresenta a configuração básica do sistema de climatização solar proposto neste trabalho.

 

Análise financeira

Com base nas informações apresentadas até então já é possível avaliar os resultados da instalação do sistema de climatização solar.  Conforme já mencionado na Seção 3, para estimar a quantidade de coletores necessários para atender a carga térmica do supermercado, será considerada a capacidade nominal de refrigeração do chiller por absorção, ou seja, este estudo considerará o sistema funcionando em sua capacidade máxima.

Para fins de avaliação econômica, são utilizados os dados de dois coletores de nacionalidades diferentes, sendo um fabricado nos Estados Unidos e outro na China. Para verificação do tamanho da área do campo de coletores para atendimento da demanda térmica do hipermercado é utilizada a equação a seguir:

 

 

onde:

QH: Fluxo de energia térmica a ser gerada (considerando a demanda máxima do chiller) em W

GSol: Irradiação solar no município e São Paulo em W/m2

COP: Coeficiente de performance ou de desempenho do chiller

ηColetor: Eficiência do coletor solar

 

As latitudes das três cidades consideradas são 23º, 30º e 8º, respectivamente, São Paulo, Porto Alegre e Recife. A esses ângulos deve ser somado 10º, que é usando a regra prática da latitude local mais 10º.

Os coletores escolhidos para verificação da área necessária são os modelos descritos a seguir (SRCC, 2014)

- SPP-30 com eficiência de 0,537.

- SC-H-30 com eficiência de 0,425.

 

A Tabela 2 apresenta a área mínima necessária para atendimento da demanda máxima do chiller, entretanto, cabe ressaltar que foram calculadas diferentes áreas para cada mês do ano, sendo que foi escolhida a maior área, que ocorreria no mês de junho para todas as localidades alvo deste estudo, onde há menor irradiação solar.

A Tabela 3 apresenta o investimento inicial considerando a implantação com os diferentes tipos de coletores e os gastos com manutenção em cada localidade.

Uma ressalva importante é que com relação a manutenção, apenas os valores com limpeza dos coletores seria diferente devido a diferente quantidade necessária em cada capital.

Para comparação financeira deste sistema, será feita a comparação com um sistema já existente, considerando que o sistema existente possua um chiller elétrico tipo parafuso com mesma capacidade de refrigeração do chiller de absorção analisado, 220 TR. A análise mostra a economia com os gastos com energia elétrica alcançada caso o sistema atual seja substituído por um sistema de climatização solar. Sem considerar os gastos com manutenção anual informados na Tabela 3, apenas com energia elétrica pode-se alcançar ganhos de aproximadamente R$ 220.000,00 anuais com economia de energia elétrica comparando-se o consumo de um chiller de absorção com um chiller elétrico. Sendo que a economia de consumo de energia elétrica é o fator mais importante deste estudo para análise da viabilidade e consequente retorno financeiro.

Com base nos dados de investimento e economia anual, obtém-se o resultado financeiro seguinte. Estes resultados, que são apresentados na Figura 5, consideram uma taxa de desconto de 10%, sendo que o resultado apresenta o retorno considerando tal taxa.

Como pode ser verificado na Figura 5, a diferença do tempo de retorno entre os sistemas com SPP-30 e SC-H30 não é tão grande, sendo que tende a diminuir quanto maior for a insolação da localidade.

No caso de Porto Alegre, pode-se observar que a comparação entre as diferentes marcas não seguiu a tendência verificada em São Paulo e Recife, sendo que o coletor SPP-30 proporcionou um melhor aproveitamento solar, sobretudo por conta da diferença de coletores necessários de cada marca, o que influi no investimento inicial e, consequentemente, no fluxo de caixa.

Um ponto importante a ser ressaltado é que os cálculos realizados consideram a produção de energia solar para atendimento da demanda do total do chiller e com base em dados mensais de insolação. Entretanto, tal simulação pode ser refinada, sobretudo em uma análise diária, onde se pode obter a demanda correta para cada hora do dia, bem como a irradiação e a produção de energia horária, fato este que poderia mostrar uma economia de energia maior e, consequentemente, um retorno financeiro mais curto, pois na maior parte do dia a curva de demanda por ar condicionado coincide com a curva de produção de energia, por exemplo, ao meio-dia de um dia de verão a demanda por refrigeração é maior e a irradiação também. Deve-se lembrar também que como todo sistema baseado em fonte solar, este deve possuir uma fonte alternativa para dias em que ocorra alto índice de nebulosidade e não haja irradiação suficiente para suprir a demanda por água quente para acionamento do chiller. Há duas propostas possíveis:

- Caso o hipermercado já possua um sistema com chiller elétrico, pode-se fazer um circuito paralelo com o chiller já existente.

- Utilizar um queimador para queima suplementar de gás natural ou GLP (gás liquefeito de petróleo), sendo que no caso do GLP a contratação se dá por meio de tanques. No caso do gás natural, o empreendimento deve estar junto à tubulação de distribuição de gás.

Essa fonte alternativa também pode influir no tempo de retorno do projeto, porém para se verificar tal impacto seria necessário analisar o comportamento diário do sistema. Entretanto, é importante ressaltar que com os aumentos das tarifas de energia elétrica ocorridos em 2014, a diferença entre as duas opções auxiliares talvez não demonstrem grande diferença.

Conclusão

Conforme todo o exposto neste artigo pode-se entender que este conceito de climatização solar é viável, sobretudo analisando de forma mais detalhada tal sistema e o hipermercado que venha ser instalado.

É importante esclarecer que os coletores de tubo evacuado não são fabricados no Brasil, sendo que a importação de tal equipamento com a taxa de câmbio atual e os custos de importação prejudicam no retorno do investimento.

Com incentivos fiscais para implantação de tal sistema poder-se-ia obter um retorno mais atrativo. Felizmente, no congresso nacional já tramitam projetos de lei com o objetivo de conceder benefícios fiscais para utilização de energia solar. É importante ressaltar que o BNDES financia projetos de eficiência energética através da linha de crédito PROESCO, sendo o sistema abordado neste trabalho elegível para tal benefício, que possui taxas de juros atrativas e que beneficiam tal investimento.

Para fins de certificação de construção sustentável, como por exemplo, a certificação LEED, o conceito de climatização solar também pode contribuir, devido a grande redução no consumo de energia e a produção de energia por meio de fonte renovável.

Este tipo de sistema pode ser muito benéfico para redução da carga no país, pois considerando apenas a instalação em hipermercados, que existem em grande quantidade no país, a necessidade de geração seria muito menor.

Considerando o cenário atual, com diversas usinas térmicas em funcionamento, é considerável a quantidade de dióxido de carbono que deixaria de ser produzida, contribuindo com a diminuição dos efeitos referentes ao aquecimento global. Considerando estimativas do Ministério de Ciência e Tecnologia, o sistema apresentado neste artigo poderia evitar o lançamento de aproximadamente 0,1 toneladas de CO2 ao ano.

Portanto, há de se levar em conta os benefícios que este tipo de sistema tem, pois contribuem com a redução dos picos de carga no SIN, diminuição da demanda instalada e a diminuição dos impactos referentes ao aquecimento global, além de que o este tipo de sistema é tão confiável e eficiente quanto os sistema tradicionalmente utilizados. Há de se falar também em relação à capacidade de produção energética proveniente da irradiação solar no Brasil, pois tal tipo de sistema já vem sendo instalado em países europeus e americanos, onde o potencial de geração energética proveniente de irradiação solar é muito menor.

Fernando Dantas Jacob Silva

fekobra@gmail.com

José R Simões-Moreira

jrsimoes@usp.br

SISEA – Lab. de Sistemas Energéticos Alternativos - Escola Politécnica da USP

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