apostila - PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS (NPG2210)

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PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 1 
 
 
Projeto de instalações de 
energias renováveis 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 2 
 
Projeto de instalações de energias renováveis 
 
APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA 
 
 
A implementação em grande, mediana e pequena escala das energias renováveis está 
crescendo a um ritmo elevado nos últimos anos, impulsionada por políticas 
governamentais e por uma grande evolução na eficiência das tecnologias. A matriz 
energética brasileira compõe-se de variadas alternativas, dando maior participação a 
energias que são mais limpas e, em alguns casos, mais eficientes, onde cabe ressaltar 
o enorme crescimento dos setores solar e eólico. 
 
Na instalação destas energias renováveis, encontram-se métodos e alternativas 
bastante variados, com diferentes níveis de dificuldade na implementação. Podendo-
se encontrar soluções que se adequam a diferentes panoramas e condições, e que são 
regidas por uma série de metodologias e regulamentações desenvolvidas por várias 
organizações no Brasil e no mundo. 
 
Atualmente é objeto de estudo o desenvolvimento não somente de sistemas isolados 
(os quais resolvem problemas pontuais), senão a integração dos diferentes sistemas 
de energia (parques eólicos, pequenas centrais hidrelétricas, células a combustível, 
sistemas a biomassa, sistemas fotovoltaicos e termossolares etc.), em redes 
interligadas onde procura-se a modernização das tecnologias de geração, 
transformação, transmissão, distribuição e uso final da energia. 
 
OBJETIVOS: 
 
• Identificar métodos e procedimentos usados na instalação de projetos que 
envolvem energias renováveis como usinas de biodiesel, sistemas fotovoltaicos, 
biorrefinarias de etanol, parques eólicos, entre outros; 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 3 
• Descrever as normativas que regulam a implementação de grandes projetos de 
engenharia que envolvem energias renováveis, como as pequenas centrais 
hidrelétricas, os sistemas fotovoltaicos e os parques eólicos; 
• Analisar as tecnologias desenvolvidas e em desenvolvimento para a integração 
dos diferentes tipos de energias renováveis nas redes elétricas modernas. 
 
 
UNIDADE 1. INTRODUÇÃO À INSTALAÇÃO DE PROJETOS DE ENERGIA 
 
A geração de energia elétrica com a exploração de fontes renováveis é atualmente 
uma tendência crescente em distintos países, nos quais se verifica também a 
concessão de incentivos para a geração distribuída de grande e de pequeno porte. Os 
incentivos à geração distribuída, localizada próxima aos centros de consumo, 
proporcionam diversas vantagens para o sistema elétrico, quais sejam: adiam 
investimentos na expansão dos sistemas de transmissão e distribuição e reduzem o 
carregamento dessas redes e as perdas dos sistemas, têm baixo impacto ambiental, 
eliminando ou reduzindo emissões de gases do efeito estufa, e permitem a 
diversificação da matriz energética (CBIC, 2016). 
 
Nos últimos anos, tem-se ampliando no Brasil o debate sobre a necessidade de 
incentivar o uso de fontes renováveis alternativas que possibilitem a expansão e 
diversificação do parque gerador de eletricidade do país, incluindo-se nesse tema 
variadas alternativas como usinas de biodiesel, parques eólicos, biorrefinarias de 
etanol, projetos de energia solar, entre outros. Outra questão igualmente importante 
que também está inserida nesse debate é a da eficiência no uso da energia. 
 
1.1 Parte de um projeto elétrico de uma central de energias renováveis 
 
Dos sistemas de geração de energia renovável mais difundidos na atualidade 
encontram-se os sistemas de energia solar fotovoltaica. Esses sistemas podem ser 
configurados de três formas (CBIC, 2016): 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 4 
• Isolados - quando se apresentam como a única fonte de energia para carga, 
podendo apresentar ou não elementos armazenadores de energia; 
 
• Híbridos - quando são associados a outras fontes de geração de energia; e 
 
• Interligados à rede elétrica - quando disponibiliza para a rede a energia 
gerada não necessitando de elementos armazenadores 
 
Os sistemas interligados, também conhecidos como sistemas fotovoltaicos 
conectados à rede (SFCR), utilizam as células fotovoltaicas para realizar a 
conversão direta da radiação solar em eletricidade, através do fenômeno físico 
conhecido como efeito fotovoltaico. 
 
Todos os sistemas fotovoltaicos interligados à rede apresentam uma topologia básica, 
tanto para os sistemas de grande porte, quanto para os de médio e pequeno porte. 
 
Essa arquitetura básica compreende, como ilustrado na Figura 1: 
• Um sistema conversor de energia solar em elétrica composto de módulos 
fotovoltaicos; 
 
• Um sistema condicionador de energia, que envolve principalmente conversores 
estáticos (inversores de frequência); e 
 
• Sistemas de proteção elétrica e de medição de energia. 
 
Figura 1. Principais pontos de utilização de água em apartamentos 
 
Fonte: (CBIC, 2016) 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 5 
 
Assim, o sistema fotovoltaico é conectado ao sistema elétrico da edificação. A Figura 
2 exibe o conjunto painel fotovoltaico e inversor que são conectados ao quadro de 
distribuição da residência por meio de um circuito elétrico adicional. 
 
 
 
 
Figura 2. Equipamentos e topologia básica SFCR 
 
Fonte: (CBIC, 2016). 
 
1.2 Linhas de distribuição de energia elétrica 
 
Como foi visto no exemplo anterior e será visto ao longo da disciplina, os projetos de 
geração de energia têm a função essencial de fornecer energia elétrica aos usuários, 
com qualidade adequada, no instante em que for solicitada. 
 
Para isso, deve-se transportar a energia desde a sua captação até a distribuição final. 
Em conjunto, isto é conhecido como Sistema Elétrico de Potência (SEP) e para 
um melhor entendimento pode ser subdividido em três grandes blocos: 
 
• Geração - conversão de alguma forma de energia (hidráulica, solar, eólica, 
etc.) em energia elétrica; 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 6 
• Transmissão - transporte da energia elétrica dos centros de produção aos de 
consumo; 
 
• Distribuição - a energia elétrica recebida do sistema de transmissão é levada 
aos grandes, médios e pequenos consumidores. 
 
A seguir, apresenta-se um diagrama unifilar típico de um Sistema Elétrico de Potência, 
destacando a existência de três usinas, um conjunto de linhas de transmissão, uma 
rede de subtransmissão, uma de distribuição primária e três de distribuição secundária 
(KAGAN et al., 2010). 
 
Figura 3. Sistema elétrico de potência 
 
Fonte: (KAGAN et al., 2010). 
 
As redes de distribuição primária, emergem das Subestações de distribuição. Elas 
podem ser tanto aéreas como subterrâneas, sendo as primeiras de uso mais difundido, 
pelo seu menor custo, e as segundas, encontrando grande aplicação em áreas de 
maior densidade de carga, por exemplo: zona central de uma metrópole ou onde há 
restrições paisagísticas. 
 
As redes aéreas são construídas utilizando-se postes, de concreto, em zonas urbanas, 
ou de madeira tratada, em zonas rurais. Suportam em seu topo a cruzeta, usualmente 
de madeira, com cerca de dois metros de comprimento, na qual são fixados os 
isoladores de pino ou de disco. Utilizam-se condutores de alumínio com alma de aço 
 
 
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(CAA), ou sem alma de aço (CA), nus ou protegidos. 
 
1.3 Instalação elétrica de parques, cálculos e design 
 
Em todos os países existem normas que apresentam diretrizes básicas de como 
utilizar/aplicar/trabalhar com a energia elétrica em suas distintas aplicações. Estas 
normas visam a padronização de procedimentos de forma que pesquisadores, 
educadores, projetistas, executores, fornecedores etc., possam manter um diálogo em 
torno do mesmo tema. Os projetos de instalações elétricas devem seguir as normas 
condizentes ao tipo de instalação que será feita. No Brasil, tem-se a ABNT (AssociaçãoBrasileira de Normas Técnicas), que regulamenta diversas atividades no país. 
 
Para analisar uma Rede de Energia Elétrica, deve ser obtida uma solução em regime 
estacionário das grandezas de interesse, usualmente designado por Trânsito de 
Energia (TE). Uma vez que, em uma rede de dimensão elevada, o número de 
barramentos e de ramos se torna bastante elevado e as equações que o modelam são 
não lineares, é necessário o uso de um método iterativo de cálculo. 
 
Para realizar o Trânsito de Energia, é necessário modelar os componentes e o sistema 
com suficiente rigor. Assim, deve ser especificado o tipo de barramento e as 
respectivas grandezas, para, deste modo, obter a solução numérica das equações do 
trânsito de energia (que fornece a amplitude e o argumento das tensões em todos os 
barramentos). 
 
Obtidos estes resultados, podem, por último, ser calculadas as potências que transitam 
nos ramos e as suas perdas. Ainda em termos de análise de redes, a análise técnica 
só faz sentido quando é realizada em paralelo com uma análise económica (CAMPOS, 
2007). 
 
1.4 Sistema de potência e obra civil de uma subestação elétrica 
 
 
 
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Como comentou-se anteriormente, um sistema elétrico de potência (SEP) é constituído 
por inúmeros equipamentos para transportar a energia elétrica, desde a sua geração 
até a sua utilização (área urbana, rural ou industrial), sendo a subestação uma parte 
fundamental do sistema. 
 
Uma subestação pode ser definida como um conjunto de condutores, aparelhos e 
equipamentos associados para modificar as características elétricas (tensão e 
corrente), permitindo a distribuição aos consumidores com diversos níveis de 
utilização. 
 
Elas são equipadas com dispositivos de proteção capazes de detectar faltas de energia 
e seccionar trechos com falhas. Na construção de uma subestação, deve ser 
considerada uma série de elementos constituintes (TRASHORRAS, 2015): 
 
• Transformador de força: Eleva ou abaixa os níveis de tensão de acordo com 
a necessidade da instalação; 
 
• Transformador de potencial (TP): Reduz a tensão do sistema para níveis 
de tensões compatíveis de medida do circuito. Ou seja, fornece tensões 
proporcionais aos circuitos de alta tensão que estão sendo medidas; 
 
• Transformador de corrente (TC): Usado em aplicações de alta tensão, 
fornecendo correntes suficientemente reduzidas para possibilitar o seu uso por 
equipamentos de medição, controle e proteção; 
 
• Disjuntores: São os principais equipamentos de proteção de uma subestação. 
Eles têm a capacidade de conduzir, interromper e estabelecer correntes de 
carga, controlando as condições operacionais do sistema elétrico. Contam com 
controles manuais e remotos; 
 
• Capacitor de derivação ou série: São dispositivos de compensação de 
reativos com a finalidade de corrigir o fator de potência; 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 9 
 
• Barramentos: Estes interligam os circuitos e os equipamentos existentes na 
subestação. A sua composição física deve atender às especificações técnicas do 
circuito e suportar os esforços de tração impostos pela estrutura da subestação; 
 
• Religadores: São dispositivos sensores que restabelecem a distribuição de 
energia em caso de falta momentânea. Suas principais funções são detectar e 
interromper condições de sobrecorrente, bem como restaurar as condições 
operacionais da linha; 
 
• Chaves seccionadoras: São dispositivos de manobras destinados a isolar 
equipamentos ou barramentos, podendo ser operados apenas sem carga, ou 
sob tensão; 
 
• Muflas: São utilizadas para manter as condições de isolamento elétrico nas 
conexões entre cabos, condutores e barramentos; 
 
• Relés de proteção: São dispositivos de proteção interligados com os 
disjuntores capazes de proteger o sistema elétrico contra curtos-circuitos e 
faltas de tensão; 
 
• Isoladores: Fornecem isolamento às diversas partes do SEP e auxiliam na 
suspensão de cabos e de barramentos. Os isoladores podem ser de porcelana, 
de vidro ou de polímeros; 
 
• Para-raios: São dispositivos de proteção destinados a limitar surtos de tensão 
originados de descargas atmosféricas; 
 
• Resistores de aterramento: São utilizados em subestações para limitar a 
corrente de falta de fase a um valor que não danifique os equipamentos, 
permitindo, ainda, proteger a integridade física das pessoas. Ele atua em 
 
 
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conjunto com outros equipamentos de proteção, como, por exemplo: relés e 
disjuntores. 
 
1.5 Subestação elétrica: tipos e topologia 
 
As subestações (SE) são pontos de convergência, entrada e saída, de linhas de 
transmissão ou distribuição. Com frequência, constituem uma interface entre dois 
subsistemas. Uma primeira classificação, dependendo do nível de tensão, permite ter 
dois grupos bem diferenciados (KAGAN et al., 2010): 
 
• SEs de Alta Tensão (tensão nominal abaixo de 230kV); e 
• SEs de Extra Alta Tensão (tensão nominal acima de 230kV). 
 
As SEs também podem ser classificadas em vários grupos, dependendo da função 
realizada: 
 
• SEs de manobra: Permitem manobrar partes do sistema, inserindo ou retirando-
as de serviço, em um mesmo nível de tensão; 
 
• SEs de transformação: 
o Elevadoras: Elevam a tensão para níveis de transmissão e 
subtransmissão (transporte econômico da energia). Estão localizadas na 
saída das usinas geradoras; 
o Abaixadoras: Diminuem os níveis de tensão evitando inconvenientes 
para a população, como rádio interferência, campos magnéticos 
intensos, e faixas de passagem muito largas. Estão localizadas na 
periferia das cidades; 
 
• SEs de distribuição: Diminuem a tensão para o nível de distribuição primária. 
Podem pertencer à concessionária ou a grandes consumidores; 
 
 
 
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• SEs de regulação de tensão: Através do emprego de equipamentos de 
compensação tais como reatores, capacitores, compensadores estáticos etc.; 
 
• SEs conversoras: Associadas a sistemas de transmissão em CC (SE Retificadora e 
SE Inversora). 
 
1.6 Sistema de controle 
 
Controlar um sistema elétrico significa executar todas as ações necessárias para a 
manutenção dos níveis de tensão e frequência programados por meio do programa de 
operação. 
 
Embora a premissa de controle de uma programação preestabelecida seja a ideal para 
a operação de um sistema elétrico, variações intempestivas podem ocorrer, motivadas 
por alterações bruscas nas configurações das linhas. 
 
Além disso, a violação dos limites estabelecidos nos níveis de tensão ou intercâmbio 
pode impor alterações na programação, pois o fluxo de potência é variável. Como o 
consumo varia a cada momento em função das necessidades dos consumidores, a 
geração também terá que ser variável, pois a cada instante a geração de todas as 
fontes do sistema elétrico deverá se adequar à carga solicitada pelos consumidores 
(GEBRAN, 2014). 
 
Quando há um sistema interligado, deve-se ter pleno controle da frequência e dos 
fluxos de carga nas interligações. Por conseguinte, cada sistema (área de controle) 
deve possuir uma reserva de geração para atender às suas variações de carga com 
uma frequência normal. 
 
Além disso, deve operar de forma a evitar a transferência de suas responsabilidades 
de regulação (mudanças na geração resultante da variação de carga em um sistema 
adjacente) para um sistema vizinho; e também deve equilibrar a cada instante sua 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 12 
carga com sua geração, para que na interligação o fluxo real seja igual aos valores 
programados. 
 
Para tanto, o melhor equipamento de controle automático é aquele conhecido como 
TLB (Tie Line Bias) que satisfaz as três condições citadas, sendo um sistema que 
responde tanto às variações de frequência como às variações de intercâmbio, 
mantendo-as em seus valores programados. 
 
Muitas das ações e decisões que antigamenteeram tomadas pelos operadores de 
sistemas (despachantes) hoje são tomadas de maneira totalmente automatizada, 
embora as decisões de restauração de um sistema com a saída intempestiva de um 
equipamento por qualquer problema ainda sejam realizadas pelo despacho (GEBRAN, 
2014). 
 
UNIDADE 2. PROJETO DE INSTALAÇÃO DE UMA USINA DE BIODIESEL 
 
A introdução do Biodiesel na matriz energética brasileira representou grande avanço, 
pois, além da justificativa ambiental para a substituição do óleo diesel de origem fóssil, 
existem várias potenciais vantagens técnicas, socioeconômicas e ambientais. 
 
Segundo Lima (2004), a produção de biodiesel nacional potencializa ganhos, como 
novas oportunidades de negócios na agroindústria, geração de emprego e melhor 
distribuição de renda (OKADA, 2008). 
 
O biodiesel passou a ser mais divulgado no Brasil através do Probiodiesel (Programa 
Brasileiro de Desenvolvimento Tecnológico de Biodiesel), criado pelo Ministério da 
Ciência e Tecnologia. 
 
A tradição agrícola e a pesquisa voltaram-se para a produção deste combustível e tem 
se mostrado viável pela grande extensão territorial para plantação (DELAI, 2012). 
 
 
 
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2.1 Parâmetros requeridos para a usina 
 
2.1.1 Matéria-prima 
 
O biodiesel é um combustível que pode ser obtido de diversas matérias-primas, como: 
 
• Óleos vegetais: na temperatura ambiente são encontrados no estado líquido (óleo 
de amendoim, babaçu e canola); 
 
• Gorduras animais: na temperatura ambiente são pastosas (sebo bovino, óleo de 
peixe, banha de porco e outros); 
 
 
• Óleos e gorduras residuais: são as que se encontram habitualmente no meio 
urbano (óleo de fritura e gordura de esgoto). 
 
A escolha da melhor matéria-prima a ser cultivada para a produção do biodiesel em 
uma determinada região do país depende de uma série de aspectos agronômicos, tais 
como (DELAI, 2012): 
• O teor em óleos vegetais; 
• A produção por unidade de área; 
• O equilíbrio agronômico; 
• Os diferentes sistemas de produção; 
• A sazonalidade; 
• A sua capacidade de adaptação à região; 
• O impacto socioambiental para o seu desenvolvimento; 
• As suas competitividades técnica, econômica e socioambiental. 
 
2.1.2 Processo escolhido 
 
A transesterificação é o processo mais utilizado atualmente para a produção de 
biodiesel. Consiste em uma reação química dos óleos vegetais ou gorduras animais 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 14 
com o álcool comum etanol ou o metanol, estimulada por um catalisador, da qual 
também se extrai a glicerina, produto com aplicações diversas na indústria química. 
 
Além da glicerina, a cadeia produtiva do biodiesel gera uma série de outros coprodutos, 
que podem agregar valor e se constituir em outras fontes de renda importantes para 
os produtores (BRASIL. MINISTÉRIO DA AGRICULTURA, 2006). 
 
A reação de transesterificação, ilustrada na Figura 4, pode ser via duas rotas: a 
metílica ou etílica. 
 
Segundo Parente (2003), sob o ponto de vista técnico e econômico, a reação via rota 
metílica é mais vantajosa do que a reação via rota etílica (OKADA, 2008). 
 
Figura 4. Processo de transesterificação 
 
Fonte: (BRASIL. MINISTÉRIO DA AGRICULTURA, 2006) 
 
 
 
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Após a reação de transesterificação que converte a matéria graxa em biodiesel, a 
massa reacional final é constituída de duas fases separáveis por decantação e/ou por 
centrifugação. 
 
Há dois métodos de produção industrial utilizados: por batelada e/ou por 
processo contínuo. O primeiro é mais indicado para pequenas plantas, porque os 
equipamentos necessários têm preço menor. A desvantagem é que o tamanho físico 
da planta tende a ter uma relação direta com a sua produção. 
 
Para o dobro de produção, são necessários tanques de processamento duas vezes 
maiores. Isso significa que, no processo por batelada, não há economias de escala. 
Outro problema desse processo é que ele torna mais difícil a obtenção de um 
combustível homogêneo em cada batelada, resultando em um biodiesel que sofre 
variações em suas especificações. 
 
O processo contínuo é funcional para plantas maiores, que operam sob temperaturas 
mais elevadas para encurtar o tempo de reação. Essas plantas evitam utilizar 
processos demorados, bem como equipamentos de grandes dimensões, realizando um 
mesmo trabalho mais rápido e com menos espaço. 
 
Portanto, neste processo existem economias de escala. Uma vantagem desse processo 
é a de não apresentar problemas de falta de homogeneidade na especificação do 
combustível, uma vez que o processo é constante (VISCARDI, 2005). 
 
2.2 Capacidade de produção 
 
A participação do biodiesel na matriz energética brasileira é cada vez maior e 
continuará aumentando nos próximos anos, em função do aumento percentual 
obrigatório no diesel, o qual atualmente deve ser composto de 10% de biodiesel. 
 
 
 
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Se preveem três cenários possíveis até 2030, o primeiro deles onde esse porcentual é 
mantido constante e os outros dois onde são aumentados a um 17% ou 20%, como 
observamos na Figura 5 (COELHO, 2017). 
 
Figura 5. Cenários para o percentual obrigatório de biodiesel até 2030 
 
Fonte: (COELHO, 2017) 
 
O planejamento energético brasileiro conta com o biodiesel, e tem-se criado 
oportunidades de investimento em novas unidades e expansões de capacidade de 
extração de óleo e de produção (COELHO, 2017). 
 
É uma realidade que nos próximos anos vai se manter um crescimento na demanda 
de biodiesel em território brasileiro. Os diferentes cenários são apresentados na Figura 
6. 
 
Figura 6. Crescimento na demanda de biodiesel no Brasil por cenário 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 17 
 
Fonte: (COELHO, 2017) 
 
Uma usina de biodiesel é projetada para um determinado tipo de matéria-prima, sendo 
que, às vezes, é conveniente a instalação de usinas “multi-feed”, isto é, com a 
capacidade de produzir biodiesel a partir de misturas de óleos. 
 
É geralmente aceito que, para uma produção industrial de biodiesel, é melhor ter 
usinas grandes, centralizadas e operando de forma autônoma, com base em grandes 
economias de escala. 
 
Entretanto, quanto maior a capacidade de produção da usina, mais remotas são as 
fontes de suprimento da matéria-prima. Isso tem um impacto nos custos de transporte 
da matéria-prima para a fábrica. 
 
2.3 Operações unitárias utilizadas 
 
A metodologia que poderia ser de maior difusão para o pequeno produtor é o 
processo de Batch (onde opera-se sob uma certa quantidade de material) usando 
um catalisador alcalino, que, na maioria dos casos, é o hidróxido de sódio (DONATO 
et al., 2008). As etapas na produção são: 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 18 
 Pré-mistura: Neste estágio é produzida a mistura do álcool com o catalisador, 
obtendo-se o metóxido correspondente. Dependendo da temperatura, da 
agitação e do tipo de álcool, a reação pode ser realizada em um período de 
tempo entre 5 minutos e 1 hora; 
 
 Transesterificação: É a principal reação do processo. Nele, o óleo reage com 
o metóxido, a uma temperatura de média de 65°C (podendo ir de valores 
mínimos de 25°C a máximos de 85°C) por um tempo aproximado de 1 hora 
(mínimo de 20 minutos e máximo de 2 horas). A pressão na qual a reação é 
realizada é a atmosférica, embora existam algumas experiências em que os 
reatores funcionam a uma pressão mais alta. A razão entre o álcool e o 
triglicérido é de 6:1 (realizada com excesso de 100%), enquanto o catalisador 
é adicionado a 1% em peso na mistura. Este é o estágio principal devido à 
transformação de triglicérides em ésteres metílicos. Segundo o NREL 
(Laboratório Nacional de Energia Renovável, EUA), há valores de eficiência de 
transesterificação entre 85% e 94%. Entretanto, na maioria dos estudos, 93% 
da transformação é adotada, ou seja, 1000kg de óleo produzem 930kg debiodiesel; 
 
 Neutralização: Se produz a adição de ácido (sulfúrico ou clorídrico) para 
neutralizar a alcalinidade obtida pelo produto com a adição de soda cáustica. 
Este passo é feito antes da decantação; 
 
 
 Separação: Nos processos de Batch (Batelada), a separação da glicerina com 
biodiesel é realizada com decantadores. A partir da diferença de densidade, 
obtém-se uma corrente “pesada” (glicerina com impurezas) e outra “leve” 
(biodiesel com impurezas). A presença de álcool em ambas as fases pode 
dificultar a separação. Se o processo de decantação ocorre a uma temperatura 
mais alta, a separação de fases pode ser otimizada porque um aumento na 
temperatura provoca uma diminuição na viscosidade e um aumento na 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 19 
velocidade de separação. O tipo de separador (se é centrífugo ou por gravidade) 
também influencia no tempo de decantação, que pode ir de 1 hora a 8 horas; 
 
 Purificação do biodiesel: consiste em três etapas: 
o Evaporação do álcool: O álcool é recuperado por evaporação. Deve-se ter 
cuidado para que não haja resíduos de álcool nos efluentes; 
o Lavagem: A adição de água é produzida para eliminar as impurezas que 
podem permanecer no biodiesel, como glicerina, álcool e sabões. A água 
gerada como efluente pode ser reutilizada na purificação da glicerina; 
o Secagem: Consiste em eliminar os restos de água que o produto final pode 
ter; 
 
 Purificação de glicerina: ocorre em duas etapas: 
o Primeiro estágio (Refinamento): O refinamento pode ser físico ou 
químico. Se for físico, a destilação instantânea ocorre a uma temperatura 
entre 65°C e 93°C. Se for químico, os sabões devem ser removidos com 
sulfato de alumínio ou cloreto férrico e terminar a sua purificação com 
carvão ativado ou barro; 
o Segunda etapa: Realiza-se uma lavagem com injeção de vapor e um 
posterior clareamento com carvão ativado. 
 
 
2.4 Parâmetros de operação 
 
A alcoólise dos óleos vegetais depende da temperatura e tempo de reação, da razão 
molar álcool/óleo vegetal, do tipo de álcool, do tipo e concentração do catalisador, da 
intensidade de mistura, do teor de ácidos graxos livres (AGL) e da umidade. 
 
No óleo bruto gerado, além da sua umidade, deve-se considerar a presença de: 
• Traços de metais (Ca, Mg) que podem impedir a decantação e o refino do 
glicerol; 
• Ácidos graxos livres; e 
 
 
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• Surfactantes naturais (fosfolipídios) que causam emulsão. 
 
Para avaliar os insumos e produtos da usina, é necessário mencionar as especificações 
consideradas razoáveis para a reação: 
 
 O rendimento de conversão de triglicerídeos e metanol em ésteres na presença 
do catalisador pode ser ajustado em 99%, um número que os reatores 
contínuos permitem atingir. Este requisito facilita a conformidade do teor de 
éster no biodiesel comercial de 96,5%; 
 
 Todos os fluxos são dados em ton/dia e ton/hora para facilitar a visão do todo. 
Para levar em conta o tempo de manutenção da planta e outras operações, 
considera-se que uma usina opera aproximadamente 8000 horas por ano, o 
equivalente a 333,3 dias de operação, 24 horas por dia; 
 
 A reação de transesterificação consome 3 moles de metanol para cada mole de 
triglicérides. Para acelerar a reação e obter um melhor desempenho de 
conversão, geralmente é bem aceito um excesso de 100% de metanol. Isso 
equivale ao cálculo das necessidades de metanol em 6 moles por mole de 
triglicerídeos. 
 
2.5 Número mínimo de variáveis controladas 
 
Algumas variáveis de processo que merecem atenção são: 
 
• A quantidade de álcool utilizada na reação: A estequiometria mostra uma 
relação de 1 mol da substância rica em triglicerídeos para 3 mols de álcool. 
Entretanto, uma alimentação com excesso de álcool provoca o deslocamento 
do equilíbrio reacional, favorecendo uma maior formação do produto desejável, 
éster, aumentando assim o rendimento (RAMOS et al., 2011); 
 
 
 
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• A temperatura e a água presente no meio: Segundo alguns autores, 
apesar da temperatura favorecer a cinética da reação, ela também favorece a 
formação de reações concorrentes, como a hidrólise. E, assim, a hidrólise do 
éster acarreta menor rendimento reacional (RAMOS et al., 2011); 
 
• Controle do pH do meio: Em meios muito básicos, os ácidos graxos livres da 
biomassa podem reagir com a base do meio reacional e formar sabões, que 
também reduzem o rendimento da reação (RAMOS et al., 2011). 
 
2.6 Balanço de massa e energia 
 
Os balanços de massa e energia são utilizados para a análise das reações e operações 
presentes no processo de produção de biodiesel. O balanço de massa considerando 
um volume de controle em regime permanente é representado pela seguinte equação 
(SMITH et al., 2007): 
��̇�𝑚𝑒𝑒 −��̇�𝑚𝑠𝑠 = 0 
 
Considere que na equação de balanço de massa para um composto devem-se incluir 
os termos de consumo e geração quando ocorrem reações químicas. 
 
 
No caso particular da produção de biodiesel a partir de soja, temos: 
• Valores de entrada - matéria-prima (grãos) e alguns insumos (álcool, ácidos, 
água etc.); 
• Valores de saída - produtos (óleo ou biodiesel), subprodutos (farinha/pellets, 
glicerina) e os desperdícios (águas residuais). 
 
Para fazer o balanço de energia, usa-se a primeira lei da termodinâmica para um 
volume de controle. 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 22 
Usando as hipóteses de que os valores de energia cinética e potencial são pequenos 
em relação aos demais termos, e de que se trabalha em um regime permanente, a 
equação pode ser reescrita como segue (SMITH et al., 2007): 
 
�̇�𝑄𝑉𝑉.𝐶𝐶. − �̇�𝑊𝑉𝑉.𝐶𝐶. + ��̇�𝑚𝑒𝑒𝐻𝐻𝑒𝑒 −��̇�𝑚𝑠𝑠𝐻𝐻𝑠𝑠 = 0 
 
Sendo: 
 �̇�𝑄𝑉𝑉.𝐶𝐶.: Taxa de calor trocado pelo meio com o volume de controle (kW); 
 �̇�𝑊𝑉𝑉.𝐶𝐶.: Taxa de transferência de trabalho entre o volume de controle e o meio 
(kW); 
 𝐻𝐻𝑒𝑒: Entalpia específica da corrente de entrada no volume de controle (kJ/kg); 
 𝐻𝐻𝑠𝑠: Entalpia específica da corrente de saída no volume de controle (kJ/kg). 
 
UNIDADE 3. PROJETO DE INSTALAÇÃO DE UMA BIORREFINARIA DE 
ETANOL 
 
Uma biorrefinaria é uma instalação que integra processos de conversão de biomassa 
em biocombustíveis, insumos químicos, materiais, alimentos, rações e energia. O 
objetivo de uma biorrefinaria é otimizar o uso de recursos e minimizar os efluentes, 
maximizando os benefícios e o lucro. 
 
As biorrefinarias integram diversas rotas de conversão (bioquímicas, microbianas, 
químicas e termoquímicas) em busca do melhor aproveitamento da biomassa e da 
energia nela contida (EMBRAPA AGROENERGIA, 2011). 
 
As biorrefinarias fazem parte da agenda de PD&I da maioria dos países desenvolvidos 
e em desenvolvimento, como o Brasil, mobilizando grandes quantias de recursos e 
esforços públicos e privados voltados para o aproveitamento integral da biomassa, 
para agregar valor às cadeias produtivas e reduzir os impactos ambientais. 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 23 
3.1 Parâmetros requeridos para a usina 
 
3.1.1 Matéria-prima 
 
Para a produção de etanol, é necessário extrair o álcool de outras substâncias. A forma 
mais simples e comum de obtê-lo é através das moléculas de açúcar, encontradas em 
vegetais como a cana-de-açúcar, o milho, a beterraba, a batata, o trigo e a mandioca. 
 
Dentre todas as matérias-primas do etanol presentes na natureza, a cana-de-açúcar é 
a mais simples e produtiva, o que dá ao Brasil uma grande vantagem, visto ser esse o 
principal produto de extração de etanol no país, e posicionando-o no segundo lugar 
no mercado mundial do etanol com 27% da participação da produção global. 
 
O primeiro lugar pertence aos Estados Unidos onde fabricam o etanol a partir de milho, 
representando cerca de 60% da produção global. 
 
3.1.2 Processo escolhido 
 
A forma mais simples e antiga de produzir etanol ea mais difundida no Brasil é a 
fermentação. Por meio dela, é produzido o álcool utilizado para todos os fins, 
inclusive como combustível. 
 
Essa técnica consiste em, basicamente, adicionar ao caldo da cana-de-açúcar micro-
organismos que quebram moléculas de açúcar, transformando-as em duas moléculas 
de etanol mais duas moléculas de gás carbônico. 
 
Nas usinas produtoras de etanol, a cana-de-açúcar passa por diversos processos, até 
se obter delas os álcoois anidros e hidratados (NOVACANA, 2018). 
 
Além da fermentação, existem outros processos mais complexos de se produzir o 
etanol. Um deles é a hidratação do etileno (gás incolor obtido no aquecimento da 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 24 
hulha), que consiste em uma síntese química entre as moléculas de água e as 
moléculas do etileno, resultando no etanol. 
 
Esse método, controlado em laboratório, utiliza ácidos como catalizadores, como o 
ácido sulfúrico, ou o ácido fosfórico, que possibilitam que a reação aconteça. Esse 
método não é muito utilizado no Brasil, porém estima-se que 80% do etanol produzido 
nos Estados Unidos seja por hidratação de etileno. 
 
Outra possibilidade de se obter o etanol é pela redução do acetaldeído. Também 
chamado de etanal, ou acetaldeído que possui estrutura molecular muito 
semelhante ao álcool etílico, diferindo apenas pela ausência da hidroxila. 
 
Com a ação de um agente redutor, o acataldeído ganha um íon de hidrogênio que se 
liga ao oxigênio formando a hidroxila, e consequentemente, o etanol. A matéria-prima 
desse processo costuma ser o acetileno, que, em processo de hidratação, produz o 
acetaldeído, que finalmente produz o etanol. 
 
3.2 Capacidade de produção 
 
Um estudo inédito produzido pelo Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do 
Bioetanol (CTBE), a pedido do Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social 
(BNDES), responde algumas questões fundamentais a quem trabalha na área de 
etanol, seja cientista, empresário ou formulador de políticas públicas. Dentre elas, qual 
é a evolução do custo de produção do etanol celulósico, obtido a partir do bagaço e 
da palha, e quando essa tecnologia se tornará economicamente viável no Brasil. 
(MILANEZ et.al., 2015) 
 
Simulações computacionais realizadas na Biorrefinaria Virtual de Cana-de-açúcar (BVC) 
do CTBE estimam que o etanol celulósico, também conhecido como segunda geração 
(2G), será viável nas usinas brasileiras no médio-prazo, a partir de 2020. 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 25 
De acordo com os cálculos da BVC, o custo de produção atual do etanol 2G gira em 
torno de R$1,50 por litro, enquanto o custo do etanol de primeira geração (1G) fica 
em torno de R$1,15. 
 
No médio prazo, o valor para a segunda geração será drasticamente reduzido para 
R$0,75, podendo chegar, em mais alguns anos, a R$0,52 em determinados cenários 
tecnológicos e econômicos. A este custo, o etanol 2G permanecerá competitivo mesmo 
se o preço internacional do barril de petróleo atingir o mínimo de U$44. 
 
Tais valores foram obtidos a partir de dados propostos pelo CTBE, após levantamento 
inicial junto a 22 empresas e especialistas do setor de etanol. As informações 
adquiridas englobam temas como características e qualidade das matérias-primas 
empregadas, produtividade no campo, nível de mecanização agrícola, rendimentos 
industriais, produtividade das diferentes operações nas usinas, insumos empregados, 
integração da primeira com a segunda geração, período de operação na safra e na 
entressafra, matéria-prima empregada na entressafra, entre outros. 
 
3.3 Operações unitárias utilizadas 
 
Como se comentou anteriormente, no processo de produção de etanol, o método de 
obtenção mais difundido é a fermentação. 
 
 
 
As operações realizadas em uma biorrefinaria são as seguintes (NOVACANA, 2018): 
 
 Lavagem: A cana-de-açúcar, chegando às usinas em sua forma pura, é 
colocada em uma esteira rolante. Lá, ela é submetida a uma lavagem que retira 
sua poeira, areia, terra e outros tipos de impurezas. Na sequência, a cana é 
picada e passa por um eletroímã, que retira materiais metálicos do produto; 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 26 
 Moagem: Nesse processo, a cana é moída por rolos trituradores, produzindo 
um líquido chamado melado. Cerca de 70% do produto original viram esse 
caldo, enquanto os 30% da parte sólida se transforma em bagaço. Do melado, 
continua-se o processo de fabricação do etanol, enquanto o bagaço pode ser 
utilizado à geração de energia na usina; 
 
 Eliminação de impurezas: Para eliminar os resíduos presentes no melado 
(restos de bagaço, areia etc.), o líquido passa por uma peneira. Em seguida, 
ele segue a um tanque para repousar, fazendo com que as impurezas se 
depositem ao fundo – processo chamado decantação. Depois de decantar, o 
melado puro é extraído e recebe o nome de caldo clarificado. O último processo 
de extração de impurezas é a esterilização, em que o caldo é aquecido para 
eliminar os micro-organismos presentes; 
 
 Fermentação: Após estar completamente puro, o caldo é levado a domas 
(tanques) no qual é misturado e eles um fermento com leveduras (fungos, 
sendo mais comum a levedura de Saccharomyces Cerevisia). Esse micro-
organismos se alimentam do açúcar presente no caldo. Nesse processo, as 
leveduras quebram as moléculas de glicose, produzindo etanol e gás carbônico. 
O processo de fermentação dura diversas horas, e, como resultado, produz o 
vinho, chamado também de vinho fermentado, que possui leveduras, açúcar 
não fermentado e cerca de 10% de etanol; 
 
 
 Destilação: Estando o etanol misturado ao vinho fermentado, o próximo passo 
é separá-lo da mistura. Nesse processo, o líquido é colocado em colunas de 
destilação, nas quais ele é aquecido até se evaporar. Na evaporação, seguida 
da condensação (transformação em líquido), é separado o vinho do etanol. Com 
isso, fica pronto o álcool hidratado, usado como etanol combustível, com grau 
alcoólico em cerca de 96%; 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 27 
 Desidratação: Com o álcool hidratado preparado, basta retirar o restante de 
água contido nele para se fazer o álcool anidro. Essa é a etapa da desidratação, 
no qual podem ser utilizadas diversas técnicas. Uma delas é a desidratação, em 
que um solvente colocado ao álcool hidratado mistura-se apenas com a água, 
com os dois sendo evaporados juntos. Outros sistemas, chamados peneiração 
molecular e pervaporação, utilizam tipos especiais de peneiras que retêm 
apenas as moléculas da água. Após ser desidratado, surge o álcool anidro, com 
graduação alcoólica em cerca de 99,5%, utilizado misturado à gasolina como 
combustível; 
 
 Armazenamento: Nesta etapa, o etanol anidro e o hidratado são 
armazenados em enormes tanques, até serem levados por caminhões que 
transportam até as distribuidoras. 
 
Os resíduos produzidos durante toda a fabricação do etanol também podem ser 
aproveitados pelas indústrias. Os resíduos sólidos, como bagaço, podem ser 
reutilizados energeticamente como biomassa. Já o dióxido de Carbono (CO2), derivado 
do processo de fermentação, pode ser utilizado à produção de refrigerantes. 
 
3.4 Parâmetros de operação 
 
Existem muitos fatores que influenciam o desempenho do processo de fermentação 
alcoólica, agindo de forma direta, ou indiretamente, sobre as propriedades da 
levedura, tais como (CINELLI, 2017): 
 
• Temperatura; 
• Aeração; 
• pH; 
• Substratos; 
• Aditivos químicos (ácidos, biocidas, antibióticos, sais e nutrientes); 
• Contaminação microbiana; 
• Inibição por alguns componentes. 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 28 
 
Desses fatores, os parâmetros que tem maior influência na eficiência da produção de 
etanol são: 
 
 Efeito da temperatura: A temperatura é um passo crítico no processo de 
fermentação. Em geral, a levedura tem a capacidade de crescer em ampla faixa 
de temperatura. Embora a taxa de formação inicialde etanol seja maior a 
temperaturas mais elevadas (35-40°C), as temperaturas mais elevadas afetam 
o desempenho da levedura, resultando em menor teor de etanol no vinho, o 
que aumenta o consumo de energia durante a fase de destilação e a razão de 
volume de vinhaça/volume de etanol produzido (JACQUES, 2003). Por outro 
lado, as temperaturas mais baixas promovem melhores condições de 
fermentação, com menor inibição de etanol sobre a levedura e menor 
contaminação bacteriana, embora impacte em uma diminuição da 
produtividade de etanol, resultando em tempos mais longos de fermentação. A 
reação bioquímica de conversão do açúcar em etanol é uma reação exotérmica 
na qual, geralmente, as usinas necessitam do uso de água para controlar a 
temperatura de fermentação por meio de trocadores de calor por placas, 
externos aos fermentadores, ou serpentinas internas. Portanto, para 
fermentação a baixas temperaturas, maiores os custos com o sistema de 
resfriamento das dornas; 
 
 Efeito do etanol: O etanol é um dos principais fatores de estresse que atuam 
sobre a levedura. A acumulação de etanol no meio de fermentação, em última 
análise, inibe o crescimento e a viabilidade dos microrganismos produtores de 
etanol, causando um efeito tóxico na levedura. O etanol foi o primeiro fator a 
ser reconhecido como um inibidor da fermentação alcoólica. Os fatores que 
mais influenciam na sensibilidade do microrganismo ao etanol são: a 
temperatura, a aeração e a composição do meio, agindo direta ou indiretamente 
sobre as propriedades da membrana plasmática provocando modificações na 
membrana lipídica e nos sistemas de transporte de soluto e ação de algumas 
enzimas (ATALA, 2004). Portanto, na maioria das destilarias, o teor final de 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 29 
etanol no interior do fermentador é limitado pela tolerância ao etanol da cepa 
de fermentação. Alguns estudos mostram que uma faixa de valores entre 87,5 
– 140 g/L de etanol resulta em morte celular de leveduras, verificando que o 
aumento da concentração de etanol no meio de fermentação resulta na redução 
da viabilidade das células (PATERNINA, 2011); 
 
 Efeito do substrato: A concentração inicial de substrato também exerce forte 
influência sobre a taxa específica de crescimento microbiano. A concentração 
inicial de açúcar para as destilarias está em uma faixa de 15 a 22 % (m/m) de 
açúcares. Elevadas concentrações de substrato resultam em maior pressão 
osmótica dentro da célula e, por conseguinte, resultando no aumento de morte 
celular, limitando o crescimento microbiano (PATERNINA, 2011). 
 
3.5 Número mínimo de variáveis controladas 
 
Segundo uma avaliação integral do processo de fabricação de etanol usado nas usinas, 
as fases de preparo do caldo ou mosto e a fermentação são as que têm maior impacto 
na produtividade do etanol, e consequentemente nos resultados financeiros de uma 
biorrefinaria. 
 
Nesse sentido, foram identificadas as variáveis que indicam o nível de qualidade em 
cada uma dessas fases. A seguir descrevem detalhadamente cada uma dessas 
variáveis (OLIVEIRA; LIMA, 2011): 
 
 
 Brix do mosto: é a quantidade de sólidos solúveis aparentes contidos no 
mosto. O brix é uma das variáveis utilizadas para calcular a eficiência da 
fermentação. A concentração brix é determinada com base na qualidade da 
fermentação, mais precisamente na velocidade de fermentação. Busca-se 
encontrar um ponto de equilíbrio, pois tanto o excesso quanto a falta de açúcar 
durante o processo impactam diretamente na eficiência da fermentação; 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 30 
 Viabilidade celular na dorna: Como o próprio nome já diz, o principal 
objetivo do cálculo da viabilidade celular é representar em porcentagem as 
células viáveis, ou seja, as que estão saudáveis e podem ser reutilizadas no 
processo de fermentação. Esse controle é feito a fim de monitorar a qualidade 
das células, pois quando a viabilidade celular está abaixo do normal, isso indica 
uma possível infecção na dorna. Em tais casos, a dorna deve ser tratada 
rapidamente, pois isso afeta diretamente a produção do etanol; 
 
 Tempo de fermentação: O tempo de fermentação é cronometrado a fim de 
saber quanto tempo foi gasto para terminar o processo de fermentação. É 
através do tempo de fermentação que os operadores julgam a qualidade do 
fermento em processo, podendo inclusive aumentar ou diminuir o grau brix do 
mosto; 
 
 Temperatura do vinho em fermentação: As leveduras utilizadas no 
processo de fermentação são extremamente sensíveis a baixas ou altas 
temperaturas. Em virtude dessa sensibilidade é necessário medir a temperatura 
do vinho que está em processo fermentativo, pois temperaturas baixas 
retardam o processo fermentativo e temperaturas altas matam as leveduras e 
causam perdas por evaporação alcoólica; 
 
 Teor alcoólico do vinho: O teor alcoólico do vinho delevedurado é analisado 
para que se saiba o grau alcoólico do vinho fermentado. Posteriormente, esse 
valor é utilizado para calcular a eficiência da destilação e da fermentação; 
 
 
 Eficiência da fermentação: O objetivo da eficiência da fermentação é indicar 
como está o processo de fermentação, informando se a quantidade de etanol 
produzida na dorna é a esperada. 
 
3.6 Balanço de massa e energia 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 31 
Como exemplo, se apresenta o balanço aproximado de massa e energia, para a 
produção de 1 tonelada de álcool etílico. São consideradas as matérias-primas e 
insumos necessários à produção e são identificados os fluxos de saída do processo, 
sejam eles o principal produto, subprodutos ou fluxos de resíduos gerados no processo 
(Figura 7). Da mesma forma, se mostra a quantidade de calor necessária em todas as 
etapas da produção (Figura 8). 
 
Figura 7. Balanço de massa em um processo de produção de etanol. 
 
Fonte: Adaptado de UIS- IDEAM (2017) 
 
Figura 8. Quantidade de calor necessária em todas as etapas da produção. 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 32 
Fonte: Adaptado de UIS- IDEAM (2017) 
 
UNIDADE 4. PROJETO DE INSTALAÇÃO DE UMA PEQUENA CENTRAL 
HIDRELÉTRICA 
 
A construção de pequenas centrais hidrelétricas (PCHs) representa uma importante 
alternativa de produção de energia renovável, pois não produz o impacto ambiental 
causado pela grande intervenção na natureza dos grandes reservatórios, possuindo, 
em sua maioria, quedas d’água de pequeno e médio portes, inclusive não interferindo 
no regime hidrológico do curso d’água. 
 
Ademais, as PCHs podem servir para a complementação de sistemas de grande porte 
em função do menor risco de investimento. Além do importante fator ambiental, as 
PCHs possuem outras vantagens, como custo acessível, vantagens técnicas, menor 
prazo de implementação e maturação do investimento, sendo que seu excedente de 
energia gerada pode ser colocado à disposição das concessionárias para aquisição 
dessa energia. 
 
Adicionalmente verifica-se também que é viável realizar os investimentos necessários 
apenas com aportes feitos pela iniciativa privada. É possível realizar simplificações no 
projeto quando comparado a gerações de maior porte; e pode-se contar com ganhos 
advindos da operação centralizada remota para um conjunto de PCHs (MAKARON, 
2012). 
 
Ressalte-se, ainda, que o processo de construção específico das PCHs apresenta 
simplificações regulatórias importantes com relação às usinas hidrelétricas de grande 
porte. Entre elas podem ser citadas: 
• O processo de autorização pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL); 
• O processo de obtenção das licenças ambientais concedidas pelos órgãos 
competentes; 
• Os benefícios fiscais, como o desconto na tarifa de uso do sistema de 
transporte; e 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 33 
• A possibilidade de compartilhar o risco hidrológico com as grandes centrais, 
através do Mecanismo de Realocação de Energia (MRE).As PCHs podem ocupar um papel importante na complementação da geração da matriz 
energética, inclusive pelo fato de serem disseminadas pelo país, o que diminui custos 
com a instalação de grandes linhas de transmissão. 
 
Elas também são garantia de abastecimento regional, o que alivia o sistema nacional. 
Além disso, essas usinas contam com uma indústria de equipamentos, operação e 
manutenção 100% nacional (BORGES, 2011). 
 
Mesmo com as vantagens apresentadas, a construção de PCHs ainda é um 
investimento que apresenta muitas incertezas e riscos para os empreendedores 
privados. 
 
Tais riscos são inerentes ao processo de construção, pois as condicionantes técnicas 
(hidráulicas e energéticas) são semelhantes àquelas das grandes obras do setor e as 
PCHs possuem ainda o agravante de serem mais sensíveis à variação do valor do 
empreendimento. 
 
Dessa maneira, torna-se vital para o sucesso da implementação do empreendimento 
um rigoroso processo de planejamento e controle da construção (MAKARON, 2012). 
 
4.1 Aprovação e procedimento segundo ANEEL (Res. 393) 
 
A ANEEL regulamentou o processo de autorização para as PCHs com a resolução 
normativa nº 343, de 9 de dezembro de 2008. Estabelece procedimentos para registro, 
elaboração, aceite, análise, seleção e aprovação de projeto básico e para autorização 
de potenciais PCHs para produtores independentes e autoprodutores. 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 34 
O primeiro passo para a autorização é o inventário do rio, que consiste no 
levantamento dos potenciais para construções de usinas, considerando o equilíbrio 
entre a maior capacidade de geração, menor custo e menor impacto ambiental. 
 
Uma vez aprovado o registro de inventário e ter sido efetuado o depósito do aporte 
da garantia, se realiza o registro para elaboração do projeto básico. A ANEEL aprovará 
o registro por meio de despacho. 
 
Após aprovação, o investidor tem o prazo de 14 meses para apresentação do projeto 
básico, e, a partir do momento em que for protocolado na ANEEL, o investidor não 
poderá desistir de prosseguir com o projeto. 
 
O projeto deve ser elaborado conforme os documentos “Diretrizes para Estudos e 
Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas” e “Diretrizes para Elaboração de Serviços 
de Cartografia e Topografia, Relativos a Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas – 
PCHs”. 
 
O projeto apresentado não poderá conter alterações infundadas com relação ao 
potencial aprovado no estudo de inventário. Pequenos ajustes são aceitos (MAKARON, 
2012). 
 
Após o aceite do projeto básico, inicia-se a fase de análise técnica. Dois requisitos para 
a aprovação do projeto é a obtenção da licença ambiental junto ao órgão ambiental e 
apresentação da consulta da disponibilidade hídrica junto ao órgão gestor dos recursos 
hídricos para posterior emissão de declaração da reserva da disponibilidade hídrica 
pela ANEEL. 
 
A partir do momento que for emitido despacho aprovando o projeto básico, o 
interessado terá 30 dias para apresentar a documentação complementar. 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 35 
Todo o processo de autorização para a construção de uma PCH, mesmo considerando 
as simplificações regulatórias comparadas às grandes usinas, tem uma duração média 
de nove anos, desde a identificação do rio até o início da operação comercial. 
 
Sendo que metade do processo é estimado para a aprovação da ANEEL, que leva em 
média dois anos para aprovar o inventário e mais dois anos para aprovação do projeto 
básico. Esse ainda pode ser agravado pela demora na emissão das licenças ambientais 
e atrasos no cronograma das obras. 
 
Na Figura 9, apresenta-se um resumo das atividades realizadas na criação de uma 
PCH em conjunto com os processos regulatórios correspondentes. 
 
4.2 Elaboração do projeto básico de engenharia 
 
O Projeto Básico é um estudo de engenharia do eixo do aproveitamento integrante da 
alternativa de divisão de queda selecionada nos estudos de inventário hidrelétrico 
aprovados pela ANEEL, que tem como objetivo principal determinar o potencial 
hidrelétrico correto, visando sua otimização técnico-econômica, levando em 
consideração a topografia, questões ambientais e hidrológicas, entre outros aspectos. 
 
Essa concepção compreende o dimensionamento da central geradora, as obras de 
infraestrutura local, necessárias à sua implantação, o seu reservatório, os outros usos 
da água e as ações ambientais correspondentes. 
 
Tais fatores tornam possível a definição do orçamento da central, o que permitirá a 
elaboração dos documentos de contratação das obras civis e do fornecimento e 
montagem dos equipamentos eletromecânicos. 
 
Figura 9. Fluxograma de Implantação de uma PCH 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 36 
 
Fonte: (MAKARON, 2012) 
 
Na Figura 10 é possível visualizar as etapas de engenharia presentes durante a 
realização do projeto básico. Trata-se de um fluxograma de atividades para realização 
de estudos e projetos de pequenas centrais hidrelétricas que foi desenvolvido pela 
Eletrobrás e apresenta a sequência de estudos para o projeto e as atividades previstas 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 37 
típicas para estudos e projetos dessa natureza, independentemente do porte do 
aproveitamento. 
 
Figura 10. Fluxograma de atividades para estudos e projeto básico de PCH. 
 
Fonte: (Eletrobrás, 2014) 
 
4.3 Levantamentos complementares de campo 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 38 
Caso os levantamentos e produtos realizados nos estudos de inventário e de 
viabilidade necessitem de complementos, estes deverão ser realizados, de acordo com 
a relação abaixo (ANEEL, 2009): 
 
• Planialtimetria do local das principais estruturas (Barragem, Circuito de Adução, 
Casa de Força, Túneis e Canais em geral), nas quantidades definidas nos 
estudos hidráulicos e de modelo reduzido; 
 
• Planialtimetria da área de empréstimo (materiais naturais de construção) e da 
área para implantação do canteiro e das vilas residenciais; 
 
• Amarração das investigações geológicas e geotécnicas na área das estruturas 
(locação planialtimétrica); 
 
• Amarração e nivelamento de réguas limnimétricas (amarradas ao Datum Local 
– referido ao Sistema Geodésico Brasileiro e niveladas geometricamente, em 
relação a esta referência); 
 
• Programa de aferição da restituição aerofotogramétrica da área do reservatório; 
 
• Amarração Planialtimétrica das investigações geológico-geotécnicas, 
hidrométricas e ambientais realizadas; 
 
• Levantamentos de eventuais selas nas bordas do reservatório. 
 
Salienta-se que os objetivos dos referidos levantamentos são o atendimento de 
finalidades específicas das investigações geológicas e geotécnicas, das pesquisas de 
materiais de construção, das simulações do escoamento e da análise da qualidade da 
água para o modelo reduzido, reservatório e outras. 
 
4.4 Estudos hidrológicos e pluviométricos 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 39 
Aqui determina-se o fluxo de design do projeto da central. Para o estudo hidrológico, 
deve-se levar uma estatística das flutuações da água durante vários anos para ter uma 
ideia do comportamento da fonte. 
 
Porém, como em muitas ocasiões não há muitos estudos desse tipo, deve-se recorrer 
à medição pluviométrica das precipitações na região onde a PCH funcionará, para 
estudar o fluxo da bacia hidrográfica que alimenta o rio. 
 
4.5 Estudos geológicos 
 
A localização e adequação das obras civis é feita em relação à estabilidade do terreno 
e às possíveis falhas geológicas que ele contém. É um estudo muito importante para 
o projeto e a construção da pequena central hidrelétrica, uma vez que permite que os 
projetistas tenham uma ideia de que riscos geológicos devem ser levados em conta ao 
projetar a planta. 
 
4.6 Estudos energéticos 
 
O dimensionamento de uma usina está baseado nos estudos energéticos consistentes 
na definição de doisparâmetros: a vazão e a queda (PINELI, 2005). 
 
O potencial hidráulico pode ser encontrado através da seguinte equação: 
𝐸𝐸𝐸𝐸𝑒𝑒 =
9.81 ∗ 𝜇𝜇 ∗ 𝑄𝑄 ∗ 𝐻𝐻𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙
1000
∆𝑡𝑡 
 
Ou: 
𝐸𝐸𝐸𝐸𝑒𝑒 = 0.0083 ∗ 𝑄𝑄 ∗ 𝐻𝐻𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 [𝑀𝑀𝑊𝑊 𝑚𝑚é𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑] 
 
Onde: 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 40 
 𝐸𝐸𝐸𝐸𝑒𝑒: Energia firme estimada em MW médios, considerando-se 𝑄𝑄 e 𝐻𝐻𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 
constantes durante o funcionamento da usina (1 MW médio = 8760 MWh por 
ano, durante a vida útil da usina); 
 𝜇𝜇: Rendimento do conjunto turbina-gerador, sendo sugerido pelas Diretrizes 
para projetos de PCHs o valor final de 0.85; 
 ∆𝑡𝑡: Intervalo de tempo igual a 1 segundo; 
 𝑄𝑄: Vazão mínima medida no local ao longo do período crítico do sistema 
interligado [m3/s]; 
 𝐻𝐻𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙: Queda líquida [m]. Será igual à queda bruta menos as perdas hidráulicas 
iguais a 3% para casas de força ao “pé” da barragem e 5% para aduções em 
túnel/canal. 
 
4.7 Estudos ambientais 
 
As obras a serem construídas e a operação da central implicam um grande impacto 
ambiental, já que, dependendo da área do reservatório, haverá grande área de terra 
alagada e o que traz grandes efeitos (como a perda de terras agrícolas, florestas e 
fauna) e o impacto que isso causaria à área ao redor da barragem. Logo, o estudo 
deve cobrir como mitigar esse dano. 
 
No final, o estudo dará viabilidade ao projeto ou não. Em específico deve desenvolver-
se: 
 
 O Estudo de Impacto Ambiental (EIA): É o conjunto de estudos realizados 
por especialistas de diversas áreas, com dados técnicos detalhados, com o 
objetivo de se fazer um diagnóstico ambiental da área de atuação do projeto, 
análise dos impactos ambientais, definição de medidas mitigadoras aos 
impactos negativos, e elaboração de programas de acompanhamento e 
monitoramentos desses fatores; 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 41 
 O Relatório de Impacto Ambiental (RIMA): É um relatório que aborda as 
conclusões do EIA. É um documento não técnico, deve ser apresentado de 
forma objetiva e adequada a sua compreensão. As informações devem ser 
traduzidas em linguagem acessível, ilustradas por mapas, cartas, quadros, 
gráficos e demais técnicas de comunicação visual, de modo que se possam 
entender as vantagens e desvantagens do projeto. 
 
4.8 Estudos de interligação 
 
O sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil é um sistema hidro-
termo-eólico de grande porte, com predominância de usinas hidrelétricas e com 
múltiplos proprietários. 
 
O Sistema Interligado Nacional (SIN) é constituído por quatro subsistemas: Sul, 
Sudeste/Centro-Oeste, Nordeste e a maior parte da região Norte (ONS, 2018). 
 
A interconexão dos sistemas elétricos, por meio da malha de transmissão, propicia a 
transferência de energia entre subsistemas, permite a obtenção de ganhos sinérgicos 
e explora a diversidade entre os regimes hidrológicos das bacias. 
 
A integração dos recursos de geração e transmissão permite o atendimento ao 
mercado com segurança e economicidade. A capacidade instalada de geração do SIN 
é composta, principalmente, por usinas hidrelétricas distribuídas em dezesseis bacias 
hidrográficas nas diferentes regiões do país. 
 
Entenda-se que, no planejamento de uma PCH, estuda-se a possibilidade de 
interligação com usinas eólicas ou térmicas, compartilhando os recursos energéticos. 
Além disso, é importante destacar que, para a operação centralizada ótima de um 
sistema elétrico interligado de dimensões continentais como o SIN, é imprescindível 
ter a capacidade de escoamento de energia associada à capacidade de 
armazenamento da mesma. 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 42 
PCHs possuem limitada capacidade de armazenamento de energia, com baixo grau de 
intermitência e razoável previsibilidade de geração. O SIN possibilita a otimização 
desses reservatórios através das linhas de transmissão, transportando energia de uma 
bacia hidrográfica que esteja em um momento de abundância de água, para outra, 
onde haja necessidade de se economizar água escassa. 
 
4.9 Detalhamento do projeto 
 
As usinas de pequeno porte no Brasil são projetadas e construídas com praticamente 
dois arranjos básicos (PINELI, 2005). O primeiro é composto de barragem/vertedouro, 
tomada de água, canal de adução, câmara de carga, tubulação forçada, casa de 
máquinas e canal de fuga. Apresenta-se um esboço deste arranjo na Figura 11. 
 
O segundo arranjo, apresentado na Figura 12, difere do primeiro apenas através da 
substituição do canal de adução pela tubulação de baixa pressão e a câmara de carga 
pela chaminé de equilíbrio. Os demais itens componentes são os mesmos. 
 
Figura 11. Arranjo típico para pequeno aproveitamento hidrelétrico. 
 
Fonte: (BALARIM, 1999) 
 
 
 
 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 43 
Figura 12. Arranjo típico para pequeno aproveitamento hidrelétrico com tubulação 
de baixa pressão e chaminé de equilíbrio. 
 
Fonte: (BALARIM, 1999) 
 
Após a determinação do arranjo, deve definir-se a barragem. Esta tem como finalidade 
o armazenamento de água para a geração de energia. Destina-se a criar um desnível 
hidráulico localizado, a fim de elevar o nível das águas, permitindo o afogamento da 
tomada de água. 
 
Pode ter ou não o objetivo de regularização da vazão. No caso de PCH, não há essa 
necessidade, pois, a mesma funciona a fio d’água, operando com a vazão constante 
do rio. 
 
Os principais tipos de barragens utilizados em pequenas centrais hidrelétricas são de: 
• Madeira; 
• Terra; 
• Pedra; ou 
• Concreto. 
 
A grande maioria dos aproveitamentos hidrelétricos tem necessidade de elementos 
destinados a liberar o excesso de água que aflui ao reservatório durante as cheias. 
Estas estruturas chamadas vertedouros são, usualmente, localizadas de modo a 
acarretar um mínimo de obras civis. 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 44 
 
Mesmo assim, os vertedouros respondem por uma parcela significativa dos recursos 
totais para a implantação de uma usina hidrelétrica de pequeno porte (BALARIM, 
1999). 
 
A descarga pode ser realizada em lâmina livre ou com o auxílio de dispositivos como, 
por exemplo, comportas, que mantêm sempre constante o nível de água no 
reservatório. 
 
Esse controle evita a perda de queda para centrais com pouco desnível. Os vertedouros 
mais utilizados em pequenas centrais hidrelétricas são: vertedouro de borda livre 
e de canal. 
 
Para levar a água desde a represa na tomada de água até as turbinas, se desenvolve 
o chamado “sistema de adução e tomada de água” composto de: 
 
 Tomada de água: Tem como função a captação e condução da água aos 
elementos adutores e daí às turbinas. Deve possuir uma grade de proteção que 
impeça a entrada de corpos flutuantes os quais podem danificar as turbinas. 
Localizam-se normalmente às margens do rio. Constituem-se por dois tipos: 
tomada de água acoplada ao canal de adução ou à tubulação. A principal 
grandeza para definir as dimensões da tomada de água, é a máxima vazão 
turbinada. Seu dimensionamento deve prover a captação da vazão requerida 
pela motorização completa da usina funcionando a plena carga (BALARIM 
1999); 
 
 Canal de adução: Sendo a adução de baixa pressão, após a tomada da água 
é construído um canal em solo natural, em concreto, em alvenaria de pedra ou 
de forma mista. A escolha deve levar em consideração a vazão a ser aduzida, 
a velocidade possível, a declividade do canal, o custo do material utilizado para 
o revestimento. A importância da forma a ser escolhida deve levar em conta, 
que o não revestimento do canal produzirá perda de fluído, reduzindo a 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 45 
capacidade produtiva. Sua capacidade deve ser suficiente para aduzir a 
quantidade de água necessária ao aproveitamento máximo da potência das 
turbinas. Para sistemas de baixa pressão, a adução podeser feita através do 
uso de tubulação. A céu aberto ou subterrânea, a tubulação deve ser apoiada 
em blocos de concreto cujo espaçamento varia de 6 a 15 metros para tubos de 
ferro. O uso de tubulação implica a instalação de chaminé de equilíbrio; 
 
 Câmara de carga: É a estrutura destinada a fazer a ligação entre o canal de 
adução e a tubulação forçada. Possui comporta destinada ao controle da vazão 
para absorver variações no escoamento da água, bem como grade protetora a 
fim de eliminar impurezas existentes tais como folhas, animais mortos e areia. 
O dimensionamento hidráulico da câmara de carga deve ser feito visando o 
fornecimento suficiente ao pleno aproveitamento das turbinas; 
 
 Chaminé de equilíbrio: É utilizada quando o sistema adutor é composto 
somente de tubos, substituindo a câmara de carga. Tem a função de absorver 
as variações repentinas do escoamento da água, que ocorrem quando há uma 
rejeição de carga, protegendo o conduto de derivação contra os efeitos do golpe 
de ariete. Este efeito ocorre quando a velocidade do escoamento é modificada 
atuando-se no distribuidor da turbina (SOUZA 1992). Assim, no fechamento da 
válvula da turbina, a força da água represada sobe através da chaminé até o 
ponto de equilíbrio; 
 
 Tubulação forçada: É o elemento que faz a ligação entre a câmara de carga 
e a turbina por meio de um sistema de alta pressão, que pode ser constituído 
de uma ou mais tubulações. O material mais comumente utilizado é o aço, 
podendo, no entanto, ser construída até de madeira, dependendo do tipo de 
pressão. A determinação do diâmetro econômico do tubo deve ser feita segundo 
a vazão máxima requerida. Sua instalação requer blocos de concreto para 
apoio, destinadas a absorver esforços das manobras rápidas das máquinas 
hidráulicas. 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 46 
 
Além disso, deve-se construir uma casa de máquinas e equipamentos eletromecânicos 
destinada a abrigar os equipamentos (turbina, gerador, painel de controle e o comando 
da central). 
 
Nela se processa a transformação da energia hidráulica em elétrica. Seu espaço deve 
ser suficiente para acomodar as máquinas, bem como a movimentação de 
equipamentos necessários à manutenção e reparos. 
 
O tipo de turbina e equipamentos a serem instalados é o que determina a sua posição 
e espaço. Os equipamentos eletro-hidromecânicos que compreendem os grupos 
geradores (turbinas, geradores elétricos e reguladores de velocidade) são 
responsáveis pelo funcionamento da PCH. 
 
É recomendável que a subestação seja localizada junto à casa de máquinas. Cabos 
isolados devem ser utilizados na ligação entre o gerador e a subestação. As 
características de funcionamento do sistema de distribuição são de grande 
importância, uma vez que elas definem a tensão de transmissão e a forma de operação 
da central. 
 
Após sua passagem pela turbina, a água é reconduzida ao leito do rio em um local 
escolhido de maneira conveniente. O canal de fuga é a estrutura que realiza esse 
trabalho. Seu comprimento depende da posição da casa de máquinas em relação ao 
rio. 
 
UNIDADE 5. PROJETO DE INSTALAÇÃO DE ENERGIA SOLAR 
 
Os sistemas de energia solar fotovoltaica (FV ou PV) desempenham um papel 
fundamental na geração de eletricidade. De fato, verifica-se um dos maiores 
crescimentos de utilização desta tecnologia para geração de eletricidade na área das 
energias renováveis e é expectável que essa tendência expansionista se verifique nos 
próximos anos (ELTAWIL; ZHAO, 2010). 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 47 
 
Existem vários tipos de aplicação e opções para o uso da energia solar fotovoltaica 
entre os que se encontram (AMARAL, 2016): 
 
• Conectados à rede: Normalmente os painéis fotovoltaicos são colocados 
sobre o telhado de casas e escritórios. É necessária a presença de um inversor, 
para transformar a corrente contínua em corrente alternada. A energia gerada 
pelos painéis é entregue à rede elétrica convencional; 
 
• Isolados: Instalado em áreas de difícil acesso à rede elétrica, como zonas 
rurais, ilhas, locais ermos etc., necessita armazenamento em baterias. Podem 
gerar energia para apenas uma residência ou pode ser instalado em minirredes 
para atender uma pequena comunidade; 
 
• Híbridos: A geração fotovoltaica funciona em conjunto com outros, como 
geradores eólicos ou diesel. Considerados mais complexos, tais sistemas exigem 
um controle capaz de integrar as diferentes formas de geração de energia. Estes 
sistemas podem estar conectados à rede, isolados ou ter o apoio da rede. 
 
A integração da eletricidade gerada por sistemas fotovoltaicos na rede pode levar a 
problemas nas redes de distribuição de eletricidade, dada a sua imprevisibilidade 
horária e anual. 
 
Poderão ocorrer momentos com excesso de produção elétrica, em especial nos dias 
de sol de verão, ou de carência de eletricidade face ao consumo (note-se que este 
recurso é variável e incontrolável). 
 
Estas questões poderão ser resolvidas com o desenvolvimento de sistemas adequados 
de armazenamento de energia associados ao fotovoltaico. Estes sistemas são 
apropriados para autoconsumo, sendo a sua principal prioridade satisfazer a procura 
de energia local e, ocasionalmente, alimentar a rede com qualquer excedente de 
energia produzido. 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 48 
 
Desta forma, energia produzida em excesso pode ser imediatamente armazenada. 
Estes sistemas deverão estar associados a estratégias inteligentes de gestão, de modo 
a evitar a sobrecarga e a injeção de potência excessiva na rede (MOSHÖVEL et al., 
2015). 
 
5.1 Dimensionamento completo de instalações fotovoltaicas isoladas 
 
Com respeito aos sistemas fotovoltaicos isolados (SFI), um arranjo padrão consiste em 
painéis acoplados diretamente à carga CA ou CC através de uma unidade de 
condicionamento de potência (UCP), com um respaldo usando baterias, onde a carga 
demanda é atendida diretamente pela energia solar gerada e o excedente é 
armazenado no banco de baterias para atender períodos de pico ou as horas sem luz 
solar. Todo esse processo será gerenciado por um controlador de carga que irá decidir 
onde e quando usar a energia gerada, e os limites de carga e descarga das baterias, 
ajudando assim a melhorar o desempenho do conjunto e prolongar sua vida útil 
(RAWAT et al., 2016). 
 
Esta tecnologia é ideal para abastecer regiões isoladas, ajudando a melhorar seu 
desenvolvimento e conforto. Sendo que o tamanho do conjunto de painéis 
fotovoltaicos irá depender da carga demandada, e a dimensão do banco de baterias 
está atrelada ao tempo de autonomia que requer a instalação. 
 
Para dimensionar este tipo de sistema primeiro é necessário caracterizar o local de 
instalação, a disponibilidade do recurso solar e as características dos equipamentos a 
serem instalados. Assim, usando técnicas de otimização, obtém-se a melhor 
configuração para o sistema. Por fim, é configurado o controlador de carga para 
gerenciar o funcionamento do sistema. 
 
O SFI é dimensionado visando satisfazer a demanda do mês crítico de consumo. Logo, 
para determinar a potência de pico (𝑃𝑃𝑚𝑚) que requer o painel fotovoltaico para suprir 
a demanda de irrigação tem-se a seguinte equação: 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 49 
 
𝑃𝑃𝑚𝑚 = 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙=112 �
𝐿𝐿𝑙𝑙
𝐻𝐻𝑃𝑃𝐻𝐻𝑙𝑙 ∗ 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑑𝑑1 ∗ 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑑𝑑2
� 
 
Onde: 
• 𝐿𝐿𝑙𝑙 (Wh/dia) é a quantidade média diária de energia consumida durante cada 
mês 𝑑𝑑; 
• 𝐻𝐻𝑃𝑃𝐻𝐻𝑙𝑙 (h/dia) indica a média diária de horas de pleno sol no plano do painel 
fotovoltaico para cada mês 𝑑𝑑, 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑑𝑑1 (%) é o fator de redução da potência dos 
módulos devido a fatores ambientais e 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑑𝑑2 (%) é o fator de redução da 
potência devido a perdas no sistema. 
 
Sendo que a quantidade média de energia vem dada por: 
𝐿𝐿 =
𝐿𝐿𝑐𝑐𝑐𝑐
𝜂𝜂𝑏𝑏𝑐𝑐𝑏𝑏 ∗ 𝜂𝜂𝑙𝑙𝑖𝑖𝑖𝑖
 
 
Onde: 
• 𝐿𝐿𝑐𝑐𝑐𝑐 (Wh/dia)é a energia média diária consumida em corrente alternada em 
um mês; 
• 𝜂𝜂𝑏𝑏𝑐𝑐𝑏𝑏 (%) é a eficiência global da bateria; e 
• 𝜂𝜂𝑙𝑙𝑖𝑖𝑖𝑖 (%) é a eficiência do inversor. 
 
Para estabelecer a configuração do arranjo FV é necessário definir o módulo FV e o 
Seguidor do Ponto de Máxima Potência (MPPT) que serão usados no projeto. O MPPT 
é uma nova tecnologia presente nos inversores para aumentar a eficiência energética. 
 
Diferentemente dos sistemas fotovoltaicos conectados à rede onde os componentes 
usados devem ser acreditados pelo INMETRO, nesse tipo de sistemas não é 
obrigatório. O que expande as opções de equipamentos a serem utilizados, porém, a 
escolha dos dispositivos sempre deve considerar a credibilidade do fabricante, a 
eficiência do dispositivo, a disponibilidade do produto no mercado brasileiro e o recurso 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 50 
de monitoramento sem fio (importante para sistemas em zonas rurais), entre outras 
coisas. 
 
O número de módulos em série que permite cada MPPT é determinado pela seguinte 
equação, a qual garante que a máxima tensão de operação do controlador de carga 
sempre será maior do que a tensão máxima de saída do painel fotovoltaico: 
 
𝑁𝑁𝑚𝑚ó𝑑𝑑𝑑𝑑𝑙𝑙𝑑𝑑𝑠𝑠,𝑠𝑠𝑒𝑒𝑠𝑠𝑙𝑙𝑒𝑒 ≤
𝑉𝑉𝑑𝑑𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑚𝑚𝑐𝑐𝑀𝑀
𝑉𝑉𝑑𝑑𝑐𝑐𝑀𝑀𝑚𝑚𝑙𝑙𝑖𝑖
 
 
Onde: 
• 𝑉𝑉𝑑𝑑𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑚𝑚𝑐𝑐𝑀𝑀 (V) é a máxima tensão de operação do MPPT do controlador; 
• 𝑉𝑉𝑑𝑑𝑐𝑐𝑀𝑀𝑚𝑚𝑙𝑙𝑖𝑖 (V) é a tensão de circuito aberto do módulo FV na sua mínima 
temperatura de operação. 
 
Complementarmente, se pode determinar a quantidade de fileiras em paralelo que 
podem ser conectadas no controlador, usando a seguinte equação: 
𝑁𝑁𝑠𝑠𝑏𝑏𝑠𝑠𝑙𝑙𝑖𝑖𝑠𝑠𝑠𝑠,𝑝𝑝𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐𝑙𝑙𝑒𝑒𝑙𝑙𝑑𝑑 ≤
𝐼𝐼𝑆𝑆𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑚𝑚𝑐𝑐𝑀𝑀
1.25 ∗ 𝐼𝐼𝑆𝑆𝐶𝐶
 
 
Sendo: 
• 𝐼𝐼𝑆𝑆𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑚𝑚𝑐𝑐𝑀𝑀 a corrente máxima do controlador; e 
• 𝐼𝐼𝑆𝑆𝐶𝐶 a corrente de curto-circuito do módulo. 
 
Esta fórmula garante que a corrente máxima do controlador sempre será maior do que 
a corrente de curto-circuito do painel. Sendo que é acrescido um fator mínimo de 
segurança de 25%, assumindo que o painel pode receber uma irradiância maior (ainda 
que por curtos períodos). 
 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 51 
Além de responder pelo tempo de autonomia do sistema, o banco de baterias abastece 
a carga no período de baixa irradiação. Para determinar a capacidade de 
armazenamento que deverá ter o banco de bateria, usam-se as seguintes equações 
(RAWAT et al., 2016): 
 
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶20 =
𝐿𝐿𝑚𝑚 ∗ 𝑁𝑁
𝑃𝑃𝑑𝑑
 
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐼𝐼𝐶𝐶20 =
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶20
𝑉𝑉𝑠𝑠𝑙𝑙𝑠𝑠𝑏𝑏
 
 
Onde: 
• 𝐿𝐿𝑚𝑚 (Wh) é a energia média diária consumida no mês crítico; 
• 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶20 (Wh) é a capacidade do banco de baterias para o regime de descarga 
em 20 horas; 
• 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐼𝐼𝐶𝐶20 é a respectiva capacidade em Ampère-hora (Ah); 
• 𝑁𝑁 é o número de dias de autonomia; 
• 𝑉𝑉𝑠𝑠𝑙𝑙𝑠𝑠𝑏𝑏 é a tensão do sistema; 
• 𝑃𝑃𝑑𝑑 (%) é a máxima profundidade de descarga da bateria. 
 
Já definida a capacidade do sistema de acumulação, a seguinte equação permite 
calcular o número necessário de baterias em paralelo para conseguir a corrente de 
alimentação do sistema: 
𝑁𝑁𝑏𝑏𝑐𝑐𝑏𝑏𝑒𝑒𝑠𝑠𝑙𝑙𝑐𝑐𝑠𝑠,𝑝𝑝𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐𝑙𝑙𝑒𝑒𝑙𝑙𝑑𝑑 =
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐼𝐼
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐼𝐼𝑏𝑏𝑐𝑐𝑏𝑏
 
 
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐼𝐼𝑏𝑏𝑐𝑐𝑏𝑏 representa a capacidade da bateria selecionada, em Ah, no mesmo regime de 
descarga do valor calculado para 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐼𝐼. 
 
Por fim, o dimensionamento do inversor deve levar em conta a potência máxima 
demandada pelo sistema, a tensão de entrada do controlador de carga e banco de 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 52 
baterias, a tensão de saída, e que os motores elétricos geram uma demanda de pico 
na partida. 
 
Ainda é recomendável usar inversores de forma de onda senoidal pura em cargas 
eletrônicas sensíveis a ondas com distorção harmônica como o caso dos motores 
elétricos. 
 
5.2 Dimensionamento completo de instalações fotovoltaicas conectadas à 
rede 
 
No caso do sistema fotovoltaico conectado à rede, este fornece a potência gerada 
diretamente à concessionária, utilizando a rede elétrica como unidade de 
armazenamento. Isto reduz significativamente a complexidade e custos iniciais da 
instalação, mas, em contrapartida, surgem complicações com o acoplamento do 
sistema à rede. 
 
Este sistema consiste basicamente em painéis solares, conversor CC/CC com MPPT, 
inversor com proteção de ilhamento e um transformador elevador de tensão. No 
dimensionamento do inversor e o arranjo de painéis, vários fatores devem ser levados 
em consideração como: 
• A capacidade de geração dos painéis em condições padrão de teste; 
• Localização geográfica; 
• Condições ambientais; 
• Perdas no inversor, conversor, transformador e cabos de energia. 
 
A potência do painel FV necessária para atender a demanda do sistema é calculada 
pela seguinte equação: 
𝑃𝑃𝐹𝐹𝑉𝑉 =
(𝐸𝐸/𝑇𝑇𝑇𝑇)
𝐻𝐻𝐻𝐻𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀
 
 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 53 
Onde: 
• 𝑃𝑃𝐹𝐹𝑉𝑉 é a potência de pico do painel FV; 
• 𝐸𝐸 (Wh/dia) é o consumo diário médio anual da edificação; 
• 𝐻𝐻𝐻𝐻𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀 (h) é a média diária anual das horas de pleno sol incidente no plano do 
painel FV; 
• 𝑇𝑇𝑇𝑇 (adimensional) é a taxa de desempenho do sistema fotovoltaico (uma 
relação entre a produção real do sistema sobre o seu máximo teórico possível). 
 
Determinada a potência total do painel FV, já é possível dimensionar o inversor. A 
escolha do inversor adequado está intimamente atrelada à potência, características 
elétricas e topologia do gerador FV, além das características ambientais do local. 
 
Isso se evidencia na redução da potência do módulo FV com o aumento de 
temperatura (coeficiente negativo de temperatura). Esta característica tem 
popularizado o uso de geradores FV com potência nominal superior à do inversor, pois, 
mesmo em situações onde a irradiância é próxima de 1.000 W/m2, a potência do 
gerador FV dificilmente se aproxima de sua potência nominal (PINHO; GALDINO, 
2014). 
 
Assim, surge o FDI (Fator de Dimensionamento do Inversor) que expressa a relação 
entre a potência nominal CA do inversor e a potência de pico do gerador FV. É 
determinado pela seguinte equação: 
𝐸𝐸𝑇𝑇𝐼𝐼 =
𝑃𝑃𝑁𝑁𝑐𝑐𝑐𝑐
𝑃𝑃𝐹𝐹𝑉𝑉
 
 
Em que: 
• 𝑃𝑃𝑁𝑁𝑐𝑐𝑐𝑐 é a potência nominal em CA do inversor; 
• 𝑃𝑃𝐹𝐹𝑉𝑉 é a potência pico do painel FV. 
 
 
 
 
PROJETO DE INSTALAÇÕES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 54 
Para otimizar ao máximo o inversor utilizado, este deve ser dimensionado para não 
trabalhar em potências muito abaixo da nominal por períodos prolongados, de modo 
a diminuir seu tamanho (inversor mais barato) sem impactar na quantidade e 
confiabilidade do fornecimento de energia e, em consequência, reduzir o custo final 
de produção da energia. 
 
A literatura recomenda valores de FDI com limite inferior na faixa de 0.75 a 0.85, 
enquanto que o limite superior é de 1.05 (PINHO; GALDINO, 2014). Para configurar o 
arranjo final do painel fotovoltaico é preciso definir o módulo que será utilizado. 
 
Para o inversor, a seleção do módulo fotovoltaico considera a credibilidade do 
fabricante no que diz respeito à garantia do equipamento (performance e assistência 
técnica no Brasil), a eficiência do dispositivo e a disponibilidade do produto no mercado 
brasileiro. Portanto, é recomendado optar por módulos certificados pelo INMETRO. 
 
No entanto, para garantir que o inversor e o arranjo FV sejam compatíveis, é 
necessário verificar se a tensão e corrente CC máxima de entrada estão dentro da 
faixa de operação do inversor, o que determina o número de módulos em série e o 
número de fileiras em paralelo, respetivamente. 
 
Como a tensão e a corrente possuem uma forte dependência da temperatura, as 
condições extremas do inverno e do verão deverão