Usando a eletrificação e a automação para criar redes de energia mais eficientes e sustentáveis – Parte dois de dois

A substituição das fontes de energia tradicionais da rede elétrica por fontes sustentáveis e ecológicas é chamada de eletrificação. Na Parte 1 desta série, foram discutidos alguns dos desafios associados à eletrificação e como a automação pode ajudar em sua eficiência e sustentabilidade. Este artigo, parte 2 de 2, discutirá as certificações LEED (liderança em energia e design ambiental) e ZEB (edifícios de energia zero) e como elas podem reduzir as emissões de carbono e melhorar a sustentabilidade.

As certificações LEED (sigla inglesa de Leadership in Energy and Environmental Design) e ZEB (Zero Energy Building) representam esforços significativos em apoio ao desejo da sociedade de reduzir as emissões de carbono e melhorar a sustentabilidade. A obtenção das certificações LEED e ZEB requer uma abordagem holística que combine a eletrificação que substitui os sistemas de energia baseados em combustíveis fósseis por alternativas verdes, como energia fotovoltaica (PV) e veículos elétricos (EVs), com sistemas avançados de automação e controle.

O programa LEED do USGBC (U.S. Green Building Council) inclui a descarbonização de edifícios existentes e novas construções. Os esforços de ZEB são coordenados pelo escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável (EERE) do Departamento de Energia dos EUA. A obtenção das certificações LEED e ZEB exige que os arquitetos e empreiteiros adotem novas abordagens sobre como os edifícios são projetados, construídos e operados. Em comparação com o ZEB, que se concentra apenas no consumo de energia, o LEED é um conceito mais abrangente que trata de carbono, energia, água, esgoto, transporte, materiais, saúde e qualidade ambiental interna.

Este segundo artigo de uma série de dois sobre eletrificação e sustentabilidade começa com uma análise dos níveis de certificação LEED e ZEB e o que é necessário para obter essas certificações para edifícios comerciais e industriais, incluindo uma comparação de várias definições de um ZEB. Em seguida, ele detalha um exemplo de como a Phoenix Contact usou a automação e a geração de eletricidade fotovoltaica no local para obter a certificação LEED Prata e ZEB para uma adição de mais de 6.503 metros quadrados em seu campus principal, incluindo como alguns dos produtos da própria empresa contribuíram para o sucesso do projeto (Figura 1). Ele termina com uma visão geral de como os edifícios LEED podem contribuir para os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável das Nações Unidas.

Figura 1: A geração de energia fotovoltaica no telhado foi um fator fundamental para que essa instalação da Phoenix Contact obtivesse as certificações LEED Prata e ZEB. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

O LEED é holístico

O LEED é um sistema abrangente que leva em conta todos os elementos necessários para criar edifícios de alto desempenho. As certificações LEED são baseadas em créditos ou pontos concedidos a um projeto usando critérios de desempenho detalhados. As categorias de desempenho e sua importância relativa (da mais importante para a menos importante) são¹:

• Reduzir a contribuição para a mudança climática global.
• Melhorar a saúde humana individual.
• Proteger e restaurar os recursos hídricos.
• Proteger e aprimorar a biodiversidade e os serviços de ecossistemas.
• Promover ciclos de materiais sustentáveis e regenerativos.
• Melhorar a qualidade de vida da comunidade.

O critério mais importante, a redução da contribuição para a mudança climática global, responde por 35% de todos os pontos. Os níveis das certificações LEED incluem Certificado (40-49 pontos), Prata (50-59 pontos), Ouro (60-79 pontos) e Platina (>80 pontos).

Na versão mais recente do LEED, v4.1, a maioria dos pontos está relacionada ao carbono operacional e incorporado. Carbono operacional são as emissões de dióxido de carbono (CO₂) geradas por aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC), iluminação e outros sistemas prediais que consomem energia. O carbono incorporado são emissões associadas à produção de materiais de construção e aos processos de construção de edifícios durante todo o ciclo de vida de um edifício.

A certificação LEED é importante para a criação de uma sociedade mais verde. Os edifícios são responsáveis por 39% das emissões globais de CO₂, sendo 28% provenientes de operações prediais e 11% de emissões incorporadas (Figura 2). Como o setor de edifícios é o que mais contribui para as emissões globais de CO₂, programas especiais também foram desenvolvidos para incentivar o desenvolvimento de edifícios de energia zero.

Figura 2: As operações prediais, além de materiais e construção, são os principais contribuintes para a produção global de CO₂. (Fonte da imagem: new buildings institute)

Definição de zero

Energia zero parece ser um conceito simples, mas tem várias definições. As três mais citadas são o programa LEED Zero Energy, o International Living Future Institute (ILFI) Zero Energy e o Zero Code Renewable Energy Procurement Framework (Zero Code) — uma iniciativa da organização Architecture 2030 que foi adotada como um padrão de energia para edifícios na Califórnia. Há diferenças significativas na definição de "zero".

Para obter a certificação LEED Zero Energy, um edifício deve ter um balanço energético de zero durante 12 meses, incluindo a geração no local e a energia gerada externamente (de origem). A combustão de combustível fóssil no local não é proibida. O consumo total de energia deve consistir em energia renovável gerada no local ou externamente ou em compensações de carbono.

A certificação ILFI Zero Energy é o padrão mais restritivo. Ela exige que as fontes renováveis no local supram 100% das necessidades de energia do edifício. Não é permitida a combustão, e a certificação é baseada no desempenho real; não é permitida a modelagem.

O Zero Code visa especificamente novos edifícios comerciais, institucionais e residenciais de médio a alto padrão. Ele define um edifício com emissão zero de carbono como aquele que não usa combustíveis fósseis no local e produz no local ou adquire energia renovável sem carbono ou créditos de carbono suficientes para atender às necessidades de energia operacional do edifício. O Zero Code também exige que os edifícios atendam ao Padrão ASHRAE 90.1-2019 para eficiência predial. O Zero Code permite a substituição de outros padrões de eficiência energética se eles resultarem em uma eficiência energética igual ou maior.

LEED pelo exemplo

A Phoenix Contact instalou recentemente um sistema fotovoltaico de 961 quilowatts (kW) no telhado do centro de logística no campus principal da empresa nos EUA. O sistema gera energia suficiente para atender a cerca de 30% das necessidades de energia da instalação, ou o consumo de energia equivalente a cerca de 160 residências por ano. O edifício recebeu as certificações LEED Prata e Zero Energy.

O sistema de cogeração de microturbina de 1 MW alimentado por gás natural no local foi integrado ao sistema fotovoltaico. O sistema central de controle de energia monitora a produção da usina fotovoltaica e o consumo de energia do edifício em tempo real. O gerador de microturbina é usado quando a demanda geral de energia excede a produção do sistema fotovoltaico. Há ocasiões em que o sistema fotovoltaico e a microturbina são usados em conjunto para fornecer eletricidade à rede por meio da medição líquida, gerando renda para a empresa.

O sistema foi projetado para reduzir o consumo de gás natural durante o dia e operar o gerador da microturbina principalmente à noite, maximizando a eficiência energética geral e minimizando a geração geral de CO₂. Em alguns dias, é possível reduzir o consumo de gás natural a quase zero. Algumas estatísticas do sistema fotovoltaico incluem:

• 2.185 painéis solares
• 1.214.235 kWh gerados anualmente
• 1.939.279 libras de redução da pegada de CO₂

O monitoramento e o controle contínuos dos segmentos individuais do sistema fotovoltaico em grandes instalações como esta são necessários para obter a máxima eficiência e disponibilidade da produção de energia.

A automação precisa de informações acionáveis

A automação e o controle eficazes de sistemas de eletrificação, como instalações fotovoltaicas, exigem informações abrangentes e acionáveis. O monitoramento em tempo real de cada cadeia de painéis fotovoltaicos maximiza a produção e oferece suporte à manutenção preventiva. Se uma cadeia cair inesperadamente, ela poderá perder milhares de kW de potência com as perdas monetárias correspondentes.

O sistema fotovoltaico de 961 kW no campus principal da Phoenix Contact nos EUA inclui doze inversores com seis cadeias de painéis fotovoltaicos que alimentam cada inversor e incorpora vários produtos da empresa, começando com medidores de energia EMpro de segunda geração, como o 2908286 para montagem em painel. Esses medidores são projetados para medir e transmitir os principais parâmetros de energia para plataformas baseadas em nuvem que oferecem suporte ao monitoramento remoto de todos os elementos do sistema. Os medidores de energia EMpro estão disponíveis para vários projetos de sistemas de energia, incluindo instalações e configurações monofásicas, bifásicas e trifásicas. O sistema monitora vários elementos do sistema e condições operacionais em tempo real, incluindo:

• Os inversores são monitorados individualmente quanto à potência de entrada CC, potência de saída CA, potência ativa e reativa, falhas e status operacional.
• Cada cadeia fotovoltaica é monitorada quanto à saída de corrente e tensão. Esses dados são avaliados para determinar a integridade das cadeias e as possíveis necessidades de manutenção.
• As temperaturas do painel são monitoradas por vários sensores espalhados pela instalação.
• São coletadas condições meteorológicas como velocidade e direção do vento, temperatura, umidade relativa e pressão do ar.
• A irradiância solar é medida com dois piranômetros, um em um ângulo de 10 graus que corresponde ao ângulo instalado dos painéis e outro instalado horizontalmente.
• Os sensores de sujeira medem a perda de luz causada por poeira e sujeira na superfície dos painéis fotovoltaicos.
• As câmeras fornecem monitoramento de segurança do sistema.

O sistema também precisa de registradores de dados e interfaces. Por exemplo, os módulos sem fio Radioline da empresa, como o modelo 2901541, comunicam-se sem fio com os sensores de temperatura e sujeira do módulo fotovoltaico usando o protocolo RS-485 sem cabos. Em outros casos, a Alimentação via Ethernet (PoE) é usada para transmitir energia e dados ao mesmo tempo. A proteção contra intrusão pode ser fornecida pelos roteadores de segurança FL mGuard 1000 Series, como o modelo 1153079, que oferece segurança de firewall e gerenciamento de usuários.

Para unir tudo isso, é necessário um controlador como o modelo 1069208 para montagem em trilho DIN da Phoenix Contact, baseado na tecnologia PLCnext da empresa (Figura 3). Quando conjugado com um módulo de entrada/saída (E/S), como o modelo 2702783, o controlador agrega dados da rede de sensores e os transmite a um provedor de serviços em nuvem. Além disso, um PC industrial executa o software Solarworx da Phoenix Contact. As ferramentas e bibliotecas de software incluídas suportam protocolos e padrões de comunicação adotados pelo setor de energia solar. O sistema permite a automação e a visualização personalizadas da operação do sistema fotovoltaico e é compatível com pacotes de software de terceiros que podem analisar dados históricos e em tempo real para otimização do desempenho. As bibliotecas incluem blocos funcionais que atendem aos requisitos da norma IEC 61131 para controladores programáveis.

Figura 3: Controlador de montagem em trilho DIN adequado para sistemas de geração fotovoltaica em larga escala. (Fonte da imagem: Phoenix Contact)

O controle de alimentação é a peça final do quebra-cabeça da eletrificação para integrar recursos de energia distribuída (DERs), como matrizes fotovoltaicas, à rede elétrica. Os controladores PGS da Phoenix Contact podem monitorar os níveis de tensão e potência reativa nos pontos de conexão da rede e determinar os valores de controle necessários para que os inversores suportem o gerenciamento de alimentação da energia em redes de média e alta tensão.

LEED e desenvolvimento sustentável

A Organização das Nações Unidas (ONU) identificou 17 Objetivos de Desenvolvimento Sustentável² (SDG) para acabar com a pobreza global até 2030. De acordo com o USGBC, a eletrificação e a automação inerentes aos edifícios LEED podem contribuir para o cumprimento de 11 dos 17 SDGs, incluindo:

Objetivo 3: Boa saúde e bem-estar

Objetivo 6: Água potável e saneamento

Objetivo 7: Energia limpa e acessível

Objetivo 8: Promover o crescimento econômico sustentado, inclusivo e sustentável, o emprego pleno e produtivo e o trabalho decente para todos

Objetivo 9: Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável e fomentar a inovação

Objetivo 10: Reduzir a desigualdade dentro dos países e entre eles

Objetivo 11: Cidades e comunidades sustentáveis

Objetivo 12: Consumo e produção responsáveis

Objetivo 13: Ação climática

Objetivo 15: Proteger, restaurar e promover o uso sustentável dos ecossistemas terrestres, gerenciar florestas de forma sustentável, combater a desertificação e deter e reverter a degradação da terra e a perda de biodiversidade

Objetivo 17: Fortalecer os meios de implementação e revitalizar a Parceria Global para o Desenvolvimento Sustentável

As estratégias corporativas também podem contribuir para uma sociedade mais sustentável. Por exemplo, o fato de a Phoenix Contact ter obtido as certificações LEED Prata e Zero Energy para seu centro de logística nas Américas foi uma parte da meta inicial da empresa de alcançar a neutralidade de carbono em todas as suas localidades no mundo. A próxima meta da empresa é criar uma cadeia de valor agregado totalmente neutra para o clima antes de 2030.

Conclusão

O setor de construção é o que mais contribui para a produção global de CO₂. As certificações LEED e ZEB são ferramentas importantes para medir o sucesso do uso da eletrificação e da automação para criar edifícios mais eficientes e sustentáveis. Conforme demonstrado, as instalações de geração fotovoltaica em larga escala integradas à capacidade de cogeração no local podem contribuir para uma sociedade mais verde. Os edifícios com certificação LEED também apoiam a realização dos dezessete SDGs da ONU e a meta de eliminar a pobreza global até 2030.

Referências:

1. Sistema de classificação LEED, em inglês, Green Building Council
2. Objetivos de Desenvolvimento Sustentável, em inglês, Nações Unidas