A Hoymiles é uma das maiores fabricantes de soluções MLPE (Module-Level Power Electronics) do mundo, sendo considerada o 2º maior fornecedor de micro inversores do mundo em 2021, de acordo com a IHS Markit. Com mais de 1 milhão de micro inversores instalados desde 2016 e aumento médio anual de 100% no volume de vendas dos mesmos entre 2016 e 2022, a fabricante chinesa caminha a passos largos rumo ao objetivo ditado por seu lema: “Energia Acessível para Todos”. Além de ousado, o lema traz uma reflexão do quanto ainda falta a ser feito para garantir à sociedade fornecimento acessível e seguro de algo que já é considerado necessidade básica.
No mundo, mais de 773 milhões de pessoas não têm acesso à energia elétrica, segundo a IRENA em um estudo de 2022. De acordo com a IEMA, no Brasil mais de 2 milhões de pessoas se encontram na mesma situação com metade delas localizada na região da Amazônia. Há ainda em torno de 2% dos brasileiros que não estão conectados ao SIN (Sistema Interligado Nacional) e recebem energia elétrica de sistemas isolados, baseados majoritariamente em geradores a diesel, cujo combustível é custeado por todos nós através da componente CCC da tarifa de energia. Mesmo para a maior parte dos brasileiros que está conectada ao SIN, muitos ainda sofrem com baixa qualidade no fornecimento de energia até suas unidades consumidoras, ficando em média até 14 horas por ano sem energia.
A hibridização dos sistemas de energia que fornecem eletricidade para as unidades consumidoras é uma das formas de mitigar, ou até mesmo eliminar, os problemas citados acima. Transformar um sistema de energia em um híbrido consiste em adicionar uma ou mais fontes de energia ao já existente, sendo pelo menos uma delas renovável, para abastecer cargas que podem estar conectadas ou desconectadas da rede da concessionária. Exemplos de sistemas híbridos são:
- FV + gerador a diesel
- FV + baterias
- FV + eólica + baterias
A utilização de armazenamento de energia em baterias é o grande trunfo de sistemas híbridos para atingir este objetivo de mitigar e até mesmo resolver os problemas citados anteriormente. Portanto, na próxima seção, vamos focar em alguns tipos de aplicações em que sistemas híbridos com bateria podem ser utilizados.
Aplicações no Brasil e oportunidades de negócio
Existem diversas aplicações em que os sistemas híbridos podem ser utilizados. Elas podem ser divididas em três categorias: off-grid, em frente ao medidor e atrás do medidor, em que se entende como medidor o medidor de energia de uma unidade consumidora qualquer. Vamos conhecer mais sobre cada uma delas:
Aplicações off-grid: sistemas off-grid são, por definição, desconectados da rede de distribuição da concessionária ou permissionária de energia. São largamente utilizados para alimentar cargas isoladas, ou seja, fora do alcance da infraestrutura da concessionária, como ilhas, fazendas, vilarejos em cidades do interior etc. É comum que estes locais sejam alimentados por grandes grupo-geradores a diesel, pois são uma fonte de energia confiável, conhecida e com baixo custo inicial de instalação, mas que possuem um alto custo de manutenção principalmente devido ao preço dos combustíveis, além de ser uma fonte altamente poluente do ar e sonora.
A hibridização desses sistemas, ou seja, a adição de fontes renováveis, como a solar fotovoltaica e armazenamento de energia em baterias, ajuda a reduzir drasticamente o consumo de combustível dos geradores que originalmente alimentavam essas cargas sozinhos. Isso gera uma grande economia com custo de combustíveis e manutenção do sistema de forma geral. Esta abordagem foi utilizada na construção da microrrede de Fernando de Noronha. Uma solução off-grid híbrida de sistema FV + eólica + armazenamento em baterias de chumbo-ácido também foi utilizada para abastecer a Ilha de Lençóis no Maranhão. Além disso, é possível utilizar sistemas híbridos para abastecer grandes cargas de forma isolada da rede elétrica, mesmo que ela esteja disponível, como é o caso de sistemas de irrigação de plantações e sistemas de bombeamento de água.
Aplicações em frente ao medidor: são aplicações destinadas a auxiliar a concessionária na manutenção, ou até melhoria, dos parâmetros de qualidade, integridade e estabilidade do fornecimento de energia. Este tipo de aplicação também pode ser categorizado como serviços ancilares, que podem variar desde o controle dos níveis de tensão da rede de distribuição/transmissão de energia até a redução do fator de potência, ou ainda tornar possível o despacho de fontes não despacháveis, como a eólica e solar fotovoltaica. Embora já seja realidade em outros países como Estados Unidos e Alemanha, a prestação desse tipo de serviço por parte do consumidor final só foi recentemente prevista pela Lei 14.300 e seus critérios ainda estão sendo estudados pela ANEEL. Entretanto, já existem projetos de P&D dedicados a estudar esse tipo de prestação de serviço, como o da empresa ISA CTEEP instalado na USP.
Aplicações atrás do medidor: esta é uma aplicação em que a utilização de um sistema híbrido impacta diretamente na energia que uma unidade consumidora utiliza da rede da concessionária, ao fazer com que esta energia seja suprida preferencialmente pelas fontes que compõem o sistema. A partir da aprovação da Lei 14.300 em que obriga as concessionárias a aceitarem pedidos de conexão à rede de sistemas híbridos com armazenamento, as aplicações atrás do medidor são as que possuem o maior potencial de gerar retorno financeiro e agregar valores como segurança, estabilidade e qualidade do próprio fornecimento de energia, além da liberdade de depender cada vez menos, ou até mesmo não depender, do serviço da concessionária. A tabela abaixo, compilada no estudo da Greener de 2021, mostra as principais aplicações nessa categoria em que se pode obter retorno financeiro utilizando sistemas híbridos com armazenamento.
Fonte: Estudo estratégico do mercado de armazenamento – GREENER, 2021
A partir desta tabela, nota-se que os clientes do grupo A possuem mais oportunidades para aplicação de sistemas híbridos, assim como a possibilidade de maiores retornos sobre este investimento. Entretanto, clientes do grupo B também podem se beneficiar desses tipos de sistemas, desde que sejam dimensionados de forma inteligente e escolhendo os equipamentos corretos, especialmente o inversor. Mas antes de falar sobre os equipamentos, vamos falar um pouco mais sobre cada aplicação mostrada na tabela acima.
o Backup: esta aplicação consiste em manter uma carga energizada através de outra fonte de energia, caso haja uma falha na rede da concessionária. Esta aplicação já é comum no nosso dia a dia, desde a utilização de um nobreak para manter um computador energizado durante uma queda de energia até o uso de grandes grupo-geradores a diesel para manter os servidores e elevadores de um prédio comercial funcionando. Existem diversas situações em que uma solução de backup pode ser implementada e grande parte delas pode se beneficiar da implementação de um sistema híbrido, pois a energia que será utilizada para manter esses equipamentos virá de uma fonte limpa, renovável e barata como a solar fotovoltaica. Com isso, o retorno financeiro se dará em deixar de consumir a energia mais cara da concessionária e até na economia de combustível utilizado nos grupo-geradores.
Além disso, há o valor agregado em se libertar da dependência energética da concessionária e aumentar a segurança do fornecimento de energia, ou seja, minimizar as falhas e interrupções no fornecimento. Segundo estudo da Greener de 2021, o brasileiro fica em média 14h por ano sem energia elétrica, enquanto na Coreia do Sul esse tempo é de somente 9 minutos por ano. Além disso, ainda há a possibilidade de danos aos equipamentos dentro da unidade consumidora, oriundos de surtos de tensão ocasionados por falhas na rede da concessionária e durante as tentativas de restauração do fornecimento de energia pela mesma. Diante desses dados, a possibilidade de sair dessa estatística ao instalar um sistema híbrido com armazenamento e utilizá-lo como backup total ou parcial da unidade consumidora torna-se cada vez mais atrativa.
o GD sem injeção na rede: atualmente no Brasil, um sistema fotovoltaico conectado à rede (on-grid) exporta automaticamente toda a energia que não foi consumida localmente pela unidade consumidora para a rede da concessionária. Essa energia gera créditos que podem ser usados para abater o valor das contas de luz subsequentes daquela unidade. Num cenário em que o valor do crédito é menor do que o da tarifa de energia consumida da concessionária, é financeiramente mais vantajoso consumir menos energia da concessionária e mais do próprio sistema FV. Isto só é possível de ser feito transformando este sistema em um híbrido com armazenamento, pois ele será capaz de armazenar parte da energia gerada pelo arranjo FV nas baterias para utilizá-la a noite por exemplo, quando não há irradiação solar. Mas cuidado! Mesmo com a implementação da Lei 14.300, a diferença entre o valor do crédito da GD e o da tarifa de energia da concessionária ainda não está alta, portanto, ainda é vantajoso exportar a energia excedente para a concessionária, além de armazená-la. Esta proporção do quanto será armazenado e do quanto será exportado deve ser cuidadosamente planejado para maximizar os rendimentos financeiros do sistema.
o Gestão do horário de consumo: clientes atendidos em média e alta tensão (grupo A) e os atendidos em baixa tensão com tarifa branca ou binômia (grupo B) são cobrados pela concessionária com tarifas diferenciadas para a energia consumida no horário de ponta ou fora de ponta, ou seja, a energia é mais cara nos horários do dia em que o SIN está mais carregado (geralmente entre 18h e 21h) e mais barata nos horários em que está menos carregado (de madrugada e no restante do dia). Nessas condições, uma forma natural de economizar energia elétrica é alterando hábitos de consumo ou realocando processos de alto consumo de energia dentro de uma fábrica, de forma a sincronizar o período de maior consumo com o de menor valor da tarifa de energia. Além de deslocar o consumo para os horários de menor tarifa, com a utilização de um sistema híbrido composto de arranjo FV e armazenamento em baterias é possível maximizar a economia ao deslocar a geração do arranjo FV. Como a energia gerada por ele é armazenada nas baterias, é possível descarregá-las nos horários em que a tarifa é mais cara, fazendo com que a unidade consumidora utilize a energia armazenada do arranjo FV em vez da energia da concessionária.
o Redução do pico de demanda: clientes atendidos em média e alta tensão (grupo A) e os atendidos em baixa tensão com tarifa binômia (grupo B) são cobrados pela concessionária pela energia consumida e pela demanda, que é a potência máxima consumida pelo cliente num determinado intervalo de tempo. A cobrança da demanda por parte da concessionária tem a ver com o esforço operacional envolvido em balancear geração e consumo por toda a cadeia de produção de energia, de forma que aquele determinado valor de potência esteja disponível para ser consumido pelo cliente ao longo do dia. O valor da tarifa de demanda pode ser fixo ou variar de acordo com os horários de ponta e fora de ponta da concessionária, além de ser atrelado a um valor de demanda contratada em kW que é estimado pelo cliente. Tais cobranças fazem com que o custo desses clientes com energia elétrica tende a ser elevado. Portanto, a redução do pico de demanda é uma das principais estratégias desses clientes para economizar com energia elétrica, pois ela permite que o valor de demanda contratada possa ser renegociado com a concessionária com tarifas mais baratas. Esta estratégia pode (e deve) ser combinada com a gestão do horário de consumo explicada anteriormente, para maximizar as possibilidades de economia. Esta aplicação já é implementada por muitos utilizando grupo-geradores e/ou sistemas de cogeração, pois o custo dos combustíveis e manutenção desses sistemas é mais barato do que as tarifas de demanda, energia e multa por ultrapassagem de demanda praticadas pela concessionária, especialmente se o pico de demanda do cliente coincide com essas tarifas em horário de ponta. Para um cliente que não tem essas estratégias implementadas, a utilização de um banco de baterias com um controlador de carga e um inversor já seria suficiente para colher seus benefícios, mas ainda assim haveria um custo para carregar o banco com a energia da concessionária. Contudo, ao utilizar um sistema híbrido com armazenamento e arranjo FV nessa aplicação, a energia que carregará o banco de baterias será oriunda do arranjo FV, que tende a ser muito mais barata que a da concessionária, maximizando assim os rendimentos financeiros da aplicação. Para os clientes que já utilizam grupo-gerador para implementar essa aplicação, a transformação desse sistema em um sistema híbrido traz ainda mais flexibilidade para a operação e gera economia de combustível dos geradores, aumentando ainda mais a rentabilidade do sistema.
Note que, na maioria das aplicações citadas aqui, existe a necessidade da utilização de armazenamento de energia em um banco de baterias. A simples existência deles num sistema híbrido implica na necessidade de um Sistema de Gerenciamento de Baterias (BMS) para monitorar os parâmetros elétricos e térmicos do banco. Felizmente, já existem baterias de íons de lítio no mercado que possuem BMS integrado e são destinadas especialmente para essas aplicações, mas ele ainda é necessário em bancos formados de baterias estacionárias. Além disso, também são necessários: um controlador para controlar a carga e descarga do banco de forma a otimizar sua vida útil, um inversor para converter a energia CC do banco para CA, além de um Sistema de Gerenciamento de Energia (EMS) para gerir todas as fontes de energia presentes no sistema de forma otimizada e que atenda os requisitos de fornecimento de energia do cliente. Dimensionar um sistema desse tipo é um grande desafio, especialmente devido à grande quantidade de componentes envolvidos e configurações a serem ajustadas. Entretanto, existe atualmente no mercado uma classe de inversores chamada de “inversores híbridos” ou “inversores on-grid com bateria”, de acordo com a normativa n° 140 do INMETRO, que podem facilitar muito o dimensionamento de sistemas híbridos por possuírem integrados a eles as funcionalidades dos sistemas mencionados acima. Estes inversores, além de poderem funcionar como inversores on-grid exportando energia do arranjo FV para a concessionária, também podem utilizar esta energia para carregar um banco de baterias conectados a ele, ou até mesmo carregar este banco por meio da rede da concessionária, se necessário. Diante desse mercado cheio de possibilidades, a Hoymiles está trazendo sua própria linha de inversores híbridos para o Brasil para fomentar e facilitar a transição energética desse mercado tão importante.
Os inversores híbridos da Hoymiles
A Hoymiles está trazendo para o Brasil, no segundo semestre de 2023, sua nova linha de inversores híbridos HYS (monofásicos) e HYT (trifásicos), que vêm com um conjunto de acessórios essenciais para monitorar e gerenciar seu sistema híbrido com armazenamento. Cada embalagem de um inversor híbrido Hoymiles virá com os seguintes acessórios: uma barra de comunicação compatível com Wi-Fi/4G/Ethernet para viabilizar o monitoramento e o controle do seu inversor através da plataforma S-Miles Cloud e um medidor de energia inteligente com precisão de 0,5% e conjunto de TCs, que possibilitarão o controle fino do percentual de energia excedente que seu sistema exporta para a rede através da função Export Management.
Os inversores híbridos monofásicos HYS possuem modelos com potências que variam de 3 até 6 kW, enquanto os inversores híbridos trifásicos HYT possuem modelos com potências de 5 até 12 kW. Abaixo estão listados os principais pontos de destaque destes inversores:
- (Monofásico) Compatível com baterias de baixa tensão de 48 V, faixa de cobertura de 40V a 60V;
- (Monofásico) Tensão CA de saída 220/230V F-N-T;
- (Trifásico) Compatível com bateria de alta tensão, faixa de cobertura de 170 V a 600 V;
- (Trifásico) Tensão CA de saída 380/400V 3F-N-T;
- Eficiência máx. de 97,6%,eficiência europeia de 97,0%
- Rastreador MPPT duplo, com corrente MPPT de até 14 A, relação CC/CA de até 150%;
- Saídas independentes para conexão com a rede (GRID), conexão com gerador a diesel (GEN) e conexão de cargas prioritárias (EPS) para uma operação flexível do sistema;
- EMS integrado e programados com os modos de operação: autoconsumo, econômico e backup, para aplicação em diversos cenários;
- Contato seco integrado configurado de forma flexível para alarme de falha de aterramento, controle de carga ou controle de gerador;
- Transferência rápida de 20 ms entre os modos on-grid e off-grid;
- Monitoramento remoto por meio da S-Miles Cloud;
A figura abaixo ilustra um sistema híbrido utilizando inversor híbrido Hoymiles. Embora a quantidade de componentes seja maior que um sistema on-grid tradicional, ela mostra como até sistema híbrido complexo pode ser desenvolvido e montado de forma simples ao utilizar a solução da Hoymiles.
Figura 1: Sistema híbrido com inversor híbrido Hoymiles
Os modos de operação pré-programados no EMS dos inversores híbridos Hoymiles tornam as aplicações discutidas na seção anterior fáceis de serem implementadas. Os poucos ajustes a serem feitos a eles também são facilmente executáveis através da plataforma S-Miles Cloud de forma rápida e intuitiva. Os modos de operação funcionam da seguinte forma:
- modo autoconsumo: este modo estabelece prioridades para uso da energia gerada pelo arranjo FV conectado ao inversor. Neste modo, o arranjo FV alimentará primeiramente as cargas conectadas ao sistema. Havendo energia excedente, ela será utilizada para carregar as baterias. Se ainda assim houver energia excedente do arranjo FV, ela será exportada para a rede. Este modo é ideal para a aplicação de GD sem injeção ou com injeção controlada na rede;
- modo econômico: neste modo é possível definir os períodos do dia em que a bateria será carregada ou descarregada. É o modo ideal para implementar as aplicações de redução de pico de demanda (“peak shaving”) e gestão do horário de consumo, programando os períodos de carga e descarga da bateria visando carregá-la com a energia barata do arranjo FV e descarregá-la nos períodos de maior demanda da carga e/ou maior tarifa de energia, evitando ao máximo o consumo da energia da rede;
- modo backup: neste modo são estabelecidas prioridades para o consumo da carga do sistema. Nele, a carga consumirá primeiramente a energia disponível no arranjo FV. Caso ainda haja necessidade, ela consumirá em seguida a energia disponível na bateria. Se mesmo assim ainda houver necessidade de mais energia para a carga, só então ela consumirá a energia da rede elétrica, diminuindo assim a dependência da concessionária e promovendo continuidade no fornecimento de energia caso haja falha na rede.
Dessa forma, com os inversores híbridos, a Hoymiles dá um grande passo para se aproximar de seu próprio lema no mercado brasileiro: energia acessível para todos!
Texto escrito por Lucas Gomes, Engenheiro de Suporte Técnico da Hoymiles.
