1 Graduando do curso de Engenharia Elétrica 2 Professor Orientador; alipio.barbosa@newtonpaiva.br
PALAVRAS-CHAVE Fontes renováveis,
Parques hidráulicos-fotovoltaicos, Geração híbrida, Complementaridade entre fontes.
KEYWORDS
Renewable sources,
Hydro-photovoltaic parks, Hybrid generation, Complementarity between sources.
RESUMO
O desenvolvimento tecnológico e aumento populacional exigem novas demandas energéticas, que perpassam pela redução da poluição e gases de efeito estufa. Para tanto, é necessário que fontes renováveis sejam incrementadas à matriz brasileira. Fontes eólica e solar esbarram em questões de confiabilidade, estabilidade operacional e despachabilidade causadas por suas características intermitente intrínseca de geração. Simultaneamente, o Brasil possui grande dependência energética de usinas hidráulicas e elevados índices de irradiação solar, garantindo aplicabilidade operacional de parques hidráulicos-fotovoltaicos. Nessa configuração, a geração hidráulica expressa energia firme, atenuando o viés descontínuo da geração fotovoltaica. Vale ressaltar que em períodos de seca do reservatório, existe maior geração fotovoltaica e consequentemente a conservação de parte da energia potencial hidráulica. Minas Gerais possui grande capacidade instalada por hidrelétricas, o Estado apresenta ainda altos índices médios irradiação solar, entre 5,5 e 6,5 kWh/m²/dia, com isso, uma grande capacidade para instalação de sistemas fotovoltaicos. Por fim, o artigo proposto objetiva apresentar uma metodologia para calcular estimativas volume útil referente ao armazenamento adicional de água devido à geração fotovoltaica flutuante.
ABSTRACT
Technological development and population growth demand new energy demands. It is necessary to insert more renewable sources in the Brazilian energy grid. Wind and solar sources have the disadvantage of the lack of reliability and operational stability caused by their intrinsic intermittent generation characteristics. On the other hand, Brazil has a high energy dependence on hydraulic plants and high levels of solar radiation. This can guarantee operational applicability of hydraulic-photovoltaic parks. In this configuration, hydraulic generation expresses firm energy, attenuating the discontinuous bias of photovoltaic generation. It is worth mentioning that in periods of drought in the reservoir, there is greater photovoltaic generation and consequently the conservation of part of the hydraulic potential energy. Minas Gerais has a large installed capacity for hydroelectric plants. The State also has high average solar irradiation rates, between 5.5 and 6.5 kWh / m² / day, with this, a great capacity for installation of photovoltaic systems. Finally, the proposed article aims to present a methodology for calculating useful volume estimates for additional water storage due to floating photovoltaic generation.
REZENDE1, Marcos F. S.; ANDRADE1, Bruna R. S; SANTOS1, Ângelo H. P. G.; BARBOSA2, Alípio M.
ANÁLISE DA COMPLEMENTARIEDADE ENTRE AS
1. INTRODUÇÃO
Segundo projeção da ONU, em 2050, haverá 2 bilhões de habitantes a mais no planeta, assim a população mundial será aproximadamente 9,7 bilhões de habitantes. Tal expansão, concomitante ao desenvolvimento de novas tecnologias, corrobora para o aumento da necessidade energética. Conforme o Programa Mensal de Operação Energética – PMO, a demanda de energia no Brasil passará de 164.388 MW em 2020 para 176.294 MW em 2024 (ONS, 2020).
Tendo em vista essa crescente demanda de energia, o desafio será supri-la de forma sustentável, ou seja, com equilíbrio entre a fonte de geração de energia e a preservação dos recursos naturais. Posto que, na sua maioria, fontes de energia renováveis são intermitentes, elas não garantem operacionalidade. Sendo assim, não é possível considerá-las fontes de energia confiáveis.
A realidade brasileira é a dependência de hidrelétricas na matriz energética, cuja geração representou 66,6% da Oferta Interna de Energia Elétrica - OIEE em 2018 (MME, 2019). Por conseguinte, em períodos de longas estiagens, podem ocorrer crises no sistema energético. Nesse contexto, estuda-se a viabilidade e eficiência da associação de outra fonte de geração em usinas hidrelétricas, formando os parques híbridos. A energia dessa outra fonte de geração será proveniente de recursos renováveis, fato que endossa a sustentabilidade proposta para os novos suprimentos energéticos (ANEEL, 2019).
De acordo com a Divisão Hidrográfica Nacional instituída pelo Conselho Nacional de Recursos Hídricos (CNRH), no Brasil há doze bacias hidrográficas, portanto o país possui água como recurso abundante (ANA, s.d). Outros aspectos que impulsionam a geração hidráulica no cenário nacional são: competitividade econômica, capacidade de armazenamento e flexibilidade operacional. Diante disso, as hidrelétricas são consideradas como fonte de energia firme, viabiliza-se desse modo sua associação a uma fonte considerada não-firme, tal como a energia solar (EPE, 2016).
Em contrapartida, a geração por fonte solar fotovoltaica permitirá a compensação proporcional da escassez de água em períodos de estiagens severas, por meio da preservação dos níveis de água nos reservatórios, além de auxiliar na geração de parte da energia demandada ao longo do ano. Esta ação permite que se desfrute ao máximo das características de cada fonte geradora, revelando o potencial de complementariedade entre ambas (BELUCO, 2001). Pode-se dizer ainda, que a aplicabilidade de sistemas híbridos traz um grande precedente para inserção de energias renováveis no sistema elétrico do Brasil.
Minas Gerais figura como um dos maiores estados em capacidade instalada por hidrelétricas, com potência outorgada de 13.533,32 MW em 287 empreendimentos hidrelétricos em operação. Referente à geração fotovoltaica, apresenta potência outorgada de 541.660,68 kW em 28 empreendimentos fotovoltaicos em operação (ANEEL, 2020). O destaque na geração solar deve-se ao fato que o estado mineiro possui altos índices de irradiação solar, entre 5,5 e 6,5 kWh/m² (ABSOLAR, 2018). Por quanto, é um estado que se destaca em ambas as fontes de geração do sistema híbrido proposto. O trecho a seguir traz a definição de hibridismo segundo a EPE, como sendo:
[...] a capacidade de dois ou mais recursos (da mesma fonte ou de fontes distintas) apresentarem disponibilidade energética complementar no tempo. A complementaridade “perfeita” entre dois recursos ocorreria quando um deles estivesse com grande disponibilidade e o outro com pouca ou nenhuma disponibilidade (EPE, s.d).
Logo, este artigo propõe um estudo da complementaridade em um sistema híbrido hidráulico-fotovoltaico, com foco em demonstrar o potencial de implementação desse modelo de geração no estado de Minas Gerais, vista todas as vantagens supracitadas dessa configuração.
Fonte: Adaptado de EPE (2018) FIGURA 1: Configuração de uma Usina Híbrida
2. GERAÇÃO HÍBRIDA DE ENERGIA
Usinas híbridas podem ser definidas como aquelas em que as fontes se mesclam ainda no processo de produção de energia. Não se consegue averiguar a procedência de um determinado lote de energia elétrica, pois não se distingue a fonte geradora primária (EPE, 2018). A configuração desse tipo de usina é representada pela figura 1.
No cenário mundial, países como a Índia, Austrália, Estados Unidos, Reino e China possuem experiências com sistemas híbridos de grande porte. Na Índia, a principal motivação para utilização do hibridismo foi a escassez de terras disponíveis para instalação de fontes renováveis. Nos demais, os fatores que incentivaram o uso desses sistemas foram melhorar a competitividade das energias renováveis e obter ganhos operacionais (EPE, 2019).
Sistemas híbridos possibilitam maior confiabilidade no fornecimento de energia, visto que a possibilidade de se ter dois ou mais sistemas inoperantes ou indisponíveis é menor quando comparado a sistemas de uma única fonte primária. Configurações híbridas têm capacidade de ser modular, adequando-se a capacidade de geração à disponibilização de recursos (PINHO, GALDINO, 2014).
Existem outros aspectos que tornam o hibridismo interessante, como aproveitamento de área inicialmente não utilizada, ganhos na construção, operação e manutenção (EPE, 2019).
Para a proposta de complementaridade hidráulico-fotovoltaico deste artigo, baseou-se em um sistema fotovoltaico flutuante, que diferentemente dos sistemas convencionais, possuem módulos instalados sobre espelhos d’água.
3. FOTOVOLTAICO FLUTUANTE
A evolução dos módulos fotovoltaicos, graças a tecnologias que reduziram seus custos nos últimos anos, permitiu grande crescimento do uso da fonte em todo o mundo. O Plano Decenal de Expansão de Energia (PDE 2029), indica que a expansão prevista da fonte solar fotovoltaica (FV) centralizada no horizonte é de 7
GW, superando 10 GW de capacidade instalada ao final do período (MME/EPE, 2020). Tendo isso em vista, a instalação de sistemas fotovoltaicos flutuantes torna-se uma alternativa no mercado graças a sua grande melhora em termos de eficiência (EPE, 2020).
A maior diferença do sistema flutuante para o sistema convencional é a estrutura. A base da estrutura é composta por uma plataforma flutuante, que fornece ao sistema estabilidade para que interferências externas não atrapalhem na geração de energia. A usina fotovoltaica sobrenadante é basicamente composta pelos módulos fotovoltaicos, inversores, plataformas boiantes, ancoragem, amarração e os cabos elétricos (STRANGUETO, 2016; SAHU et al., 2015).
Os sistemas fotovoltaicos flutuantes apresentam vantagens comparados aos sistemas convencionais dispostos em solo, sendo a mais relevante o ganho de eficiência na geração. Posto que, as estruturas flutuantes ficam em contato com a água, diminuem-se as perdas de energia por aquecimento, em razão do resfriamento nos módulos (STRANGUETO, 2016).
Segundo estudos publicados pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) em 2020, a perda de eficiência nos módulos é diretamente proporcional à temperatura, da ordem de 0,4 a 0,5%/ºC, para módulos de silício. As temperaturas de trabalho registradas nos módulos flutuantes são de 5 a 20% inferiores quando comparado a outros. Esta variação depende da localidade, do clima e do sistema de flutuação utilizado na instalação (EPE, 2020).
No sistema fotovoltaico flutuante, acumula-se pouca sujeira visto que o módulo se encontra sobre o espelho d’água. Portanto a poeira que é transportada pelos ventos não chega a prejudicar o funcionamento dos módulos. Em contrapartida, o módulo pode ser alvo da avifauna local, provocando o aumento de dejetos das aves nos módulos. Assim, a frequência de limpeza dos módulos fica suscetível a essas duas variáveis, as quais dependem do local onde o sistema será implantado (EPE, 2020).
No caso de sistemas flutuantes, existem alguns problemas ambientais a serem discutidos como: sombreamento e qualidade da água e impacto na vida aquática local. Essas desvantagens são levadas em conta e controladas através do estudo do tamanho da área do leito d’água ocupada para instalação dos módulos (EPE, 2020).
Dito isso, usinas flutuantes são ótimas alternativas às usinas convencionais, uma vez que associada às hidrelétricas, além de todas vantagens apuradas, tem-se o aproveitamento da área d’agua para instalação dos módulos já que, usando flutuadores se dispensa a necessidade de solo para instalação. Enfim, em uma configuração híbrida a opção pelo sistema flutuante torna mais acentuada a condição complementar dos sistemas de geração.
4. COMPLEMENTARIDADE SOLAR/HIDRÁULICA
A geração de energia por fonte hidráulica apresenta diversas características operacionais que a torna vantajosa. Vantagens como a rápida inicialização e desligamento e flexibilidade operativa, sendo caracterizada pelas respostas às flutuações de demanda e na regulação de picos de carga. Assim, apresenta-se como uma fonte de energia altamente confiável e despachável. Outro grande benefício dessa fonte de energia é sua eficiência e a contribuição para o emprego dos recursos hídricos locais, como a irrigação, transporte e aquicultura, incentivado o desenvolvimento local (An et al. 2015).
Contudo, a geração hidráulica depende fortemente do volume de água disponível a montante da barragem que pode ser afetado por variações sazonais e interanuais sendo capaz de gerar mais energia em um ano com mais precipitação, comparando-se com um ano mais seco. Tais fatos são de suma importância para a manutenção dos níveis dos reservatórios e operação em normais condições (ALENCAR, 2018).
pois é afetada pelas oscilações em que a irradiação solar atinge o solo. Isso ocorre devido a interferência de nuvens, ciclo dia e noite, e sombreamento causado por obstáculo próximo. Porém, essas variações interanuais da energia solar podem ser consideradas mínimas. De maneira oposta à geração hidráulica, a capacidade de geração pela fonte solar aumenta em períodos mais secos, se comparados com períodos chuvosos (ALENCAR, 2018).
Uma usina de geração fotovoltaica flutuante implementada junto à uma usina hidráulica, é capaz de operar de forma complementar e assim, beneficiar a qualidade e o armazenamento de energia. Segundo An et
al. (2015), a curto prazo a energia hidrelétrica compensaria geração intermitente da energia fotovoltaica, por
suas características de geração ajustável. Enquanto a longo e médio prazo energia fotovoltaica auxiliaria para o planejamento do atendimento dos picos de cargas, pois, durante o dia, ao gerar energia, reduz a geração hidrelétrica, poupando volume útil no reservatório.
A energia gerada pela fonte solar provoca uma redução correspondente do volume de água que é turbinado por uma hidrelétrica, de forma a armazenar e conservar água para a utilização em horários que se torna mais valiosa. Ou seja, quando o pico de demanda é mais frequente e quando não há produção de energia pela fonte solar. A disponibilidade do volume de água é o principal fator para geração da hidroeletricidade, uma usina solar instalada em paralelo no reservatório pode aumentar o fator de despachabilidade de energia e aproveitar a conexão já existente da hidrelétrica. A maioria dessas instalações não operam 24 horas por dia, o que acarreta um fator de capacidade anual médio de 50%, tornando-as sistemas de transformação e transmissão subutilizados (MAUÉS, 2019).
Por meio dos argumentos apresentados, percebe-se que tal complementaridade pode ser vista tanto pelo aspecto da geração hidráulica quanto da geração fotovoltaica, pois, a geração híbrida poderá compensar rapidamente a característica intermitente da geração fotovoltaica. Enquanto a geração fotovoltaica poderá contribuir em horários diurnos ocasionando menor requisição da geração hidráulica, com isso armazenando uma quantidade maior de energia nos reservatórios.
O potencial de geração de energia pela fonte hidráulica pode ser dado pelo volume útil que a usina tem armazenado nos reservatórios, sendo diretamente dependente da precipitação que ocorre em uma região. Por outro lado, a geração solar fotovoltaica tem uma melhor eficiência em períodos secos e com pouca obstrução de nuvens, sendo seu potencial de geração dado pela irradiação solar da região onde está instalada.
Segundo An et al. (2015), o ideal é que o sistema fotovoltaico projetado tenha a mesma potência ou potência inferior das turbinas instaladas na usina hidráulica, pois assim, visto da perspectiva do sistema elétrico de potência, atenderia e compensaria o despacho de energia já existente e exigido da usina hidrelétrica.
Para realização desta análise, foram selecionadas cinco usinas com reservatório do tipo acumulação, situadas em diferentes regiões do Estado de Minas Gerais. São elas, Usina Irapé, Marimbondo, Mascarenhas de Moraes, Queimado e São Simão. A obtenção dos dados históricos operação como, de geração e hidrológicos (volume útil, vazão, nível) das usinas foram obtidos por meio do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), onde foram tratados levando em consideração um período de aproximadamente 15 anos de operação, de 2005 a 2020.
Da mesma forma, os dados históricos de irradiação solar foram obtidos por meio do Centro de Referência para Energia Solar e Eólica (CRESESB) e tratados considerando a irradiação global horizontal e no plano inclinado, que atinge a região onde se deseja instalar a usina de geração fotovoltaica.
A partir dos dados coletados foram gerados os gráficos representados na figura 2, onde pode-se observar o comportamento do histórico mensal, de 2005 a 2020, dos índices de irradiação solar no plano horizontal e volume útil disponível nos reservatórios, com isso, constatando uma possível complementaridade entre as fontes.
FIGURA 2: Comparativo entre volume útil e irradiação por usina
Fonte: Elaboração própria
TABELA 1: Dados Técnicos da Usina Hidrelétrica Mascarenhas de Moraes
Aproveitamento Unidades Nº de Geradoras Potência Total (MW) Engolimento Total (m³/s) Volume Útil (hm³) Área Reservat. (km²) Nível Max. (m) Nível Min. (m) Mascarenhas de Moraes 10 478 1.328 2.500,00 250,00 666,12 653,12 5. ANÁLISE PROPOSTA
Visando quantificar a economia de volume útil no reservatório, foi dimensionado uma usina fotovoltaica de 100 MWp em cada um dos cinco empreendimentos hidrelétricos citados anteriormente. Criou-se a metodologia abaixo para realização dos cálculos, aqui exemplificada pela Usina Hidrelétrica Mascarenhas de Moraes (20°17’11”S, 47°03’48”O).
Figura 3: Área - Usina Fotovoltaica flutuante projetada
Fonte: Elaboração própria
(1)
(2)
(3)
Segundo estudos realizados por Strangueto (2016) e Sahu, Yadav e Sudhaka, (2015) juntamente com os dados atuais disponíveis por empresas de geração, a área utilizada para instalação de 1 MWp de uma usina fotovoltaica sobre espelho d’água é de 10.000 m², em média.
Partindo desse pressuposto, foi considerado que a usina flutuante ocupará uma área de 100 hectares, cerca de 0,4% da área total alagada de reservatório, conforme figura 3. Estipulou-se uma performance ratio (taxa de desempenho) de 80%, pois segundo um levantamento realizado por Mariano (2017), em condições normais de funcionamento, as perdas em sistemas fotovoltaicos conectado à rede variam de 20% a 30%. Então, utilizando esses dados, calculou-se a energia gerada pela usina projetada, por meio da Equação 1.
Pfv – Potência instalada (kWp)
Ir – Média mensal de irradiação no plano inclinado (kWh/m²/dia) n – Número de dias no mês
PR – Performance ratio
Baseando-se nos dados de irradiação mensal média apresentados na figura 2, calculou-se a energia média mensal produzida, chegando em uma energia anual de 155,92 GWh.
A partir da energia média obtida pela geração da usina fotovoltaica, pode-se calcular, por meio da Equação 2, o tempo que a turbina levaria para drenar o volume necessário para produzir a energia equivalente à produzida pela a usina fotovoltaica instalada. Tal energia entraria como um complemento da geração visto do ponto da usina hidrelétrica.
DT - Tempo de drenagem do volume útil pela turbina (h)
E - Energia solar fotovoltaica equivalente ao volume de reservatório (MWh) P - Potência das turbinas hidráulicas instalada (MW)
Com esse dado é possível calcular o volume útil referente ao armazenamento adicional de água devido à geração fotovoltaica flutuante, através da equação 3:
FIGURA 4: Comparativo entre volume útil histórico e volume útil estimado devido à geração fotovoltaica
Fonte: Elaboração própria
Mês Histórico (15 Volume Útil anos) Hm³ Volume Útil Economizado Hm³ Energia Adicional MWh Volume Útil Histórico (15 anos) Hm³ Volume Útil Economizado Hm³ Energia Adicional MWh Volume Útil Histórico (15 anos) Hm³ Volume Útil Adicional Hm³ Energia Adicional MWh Janeiro 205,42 29,07 13.144,00 3.252,50 74,86 13.317,60 0,00 0,00 0,00 Fevereiro 245,29 28,43 12.857,60 4.122,46 72,15 12.835,20 0,00 0,00 0,00 Março 308,74 29,18 13.193,60 4.676,09 77,37 13.764,00 0,00 0,00 0,00 Abril 337,78 29,88 13.512,00 4.608,21 76,49 13.608,00 0,00 0,00 0,00 Maio 326,87 30,93 13.987,20 4.474,58 74,44 13.243,20 0,00 0,00 0,00 Junho 312,39 29,67 13.416,00 4.216,72 69,34 12.336,00 0,00 0,00 0,00 Julho 280,25 32,30 14.607,20 3.925,35 73,33 13.044,80 0,00 0,00 0,00 Agosto 238,09 35,21 15.921,60 3.281,67 82,94 14.756,00 0,00 0,00 0,00 Setembro 191,31 31,69 14.328,00 2.654,84 72,58 12.912,00 0,00 0,00 0,00 Outubro 153,37 30,66 13.863,20 2.107,05 76,25 13.565,60 0,00 0,00 0,00 Novembro 145,75 26,11 11.808,00 2.304,20 73,66 13.104,00 0,00 0,00 0,00 Dezembro 173,30 28,52 12.896,00 2.439,11 77,09 13.714,40 0,00 0,00 0,00
São Simão Irapé
Queimado
TABELA 2: Comparativo entre volume útil histórico e volume útil estimado devido à geração fotovoltaica
V -Volume útil de reservatório de água (m³)
DT - Tempo de drenagem do volume útil pela turbina (h) Q - Engolimento da Turbina (m³/s)
Por meio da metodologia apresentada, calculou-se que o volume útil economizado devido a geração fotovoltaica em Mascarenhas de Moraes de, em média, 5,20% por mês.
Pode-se observar, na figura 4, o comparativo dos dados de volume útil histórico e volume útil estimado. O volume útil estimado é considerado como a soma do volume histórico com o volume economizado calculado por meio da metodologia demostrada anteriormente.
O mesmo procedimento foi executado para as demais usinas hidrelétricas e os resultados alcançados estão apresentados na tabela 2.
A partir dos cálculos realizados constatou-se que ao instalar a usina solar fotovoltaica é possível economizar valores consideráveis de volume útil a montante, obter ainda maior flexibilidade na injeção de energia, ora por fonte hidráulica, ora por solar. Vale ressaltar que o estudo foi desenvolvido com a potência fotovoltaica de 100 MWp, e caso fosse realizado com uma potência maior, a economia de volume útil seria mais significativa. Entretanto, deve-se respeitar a premissa estabelecida anteriormente, a qual diz que a potência da usina solar fotovoltaica não pode ser superior à potência hidráulica instalada.
O percentual de economia mensal de água nos reservatórios variou de 1,30% em São Simão a 9,04% em Queimado. Vale destacar que esses valores se relacionam diretamente com o volume útil máximo a montante da barragem. Tal metodologia, aplicada nas cinco usinas, permitiria a inserção de 790,91 GWh anual no SIN - Sistema Interligado Nacional.
6. CONCLUSÕES
A implementação de sistemas fotovoltaicos flutuantes junto a usinas hidrelétricas para uma complementariedade energética traz benefícios e resultados que tornam o modelo de geração hibrida uma tendência em vários países. No Brasil a matriz energética é, em grande parte, formada por usinas hidrelétricas, e como tem-se na maior parte do ano grandes níveis de irradiação solar, a aplicação de parques híbridos hidráulicos-fotovoltaicos é vista com bons olhos.
Os resultados demostram que a atuação conjunta da geração hidráulica e da geração fotovoltaica é interessante e promissora. As características de ambas fontes possibilitam alta complementariedade. Ocasionando melhor controle no armazenamento de água, permitindo sua utilização em horários noturnos, picos de demanda e em períodos de estiagem severa e secas. Em contrapartida, a atuação conjunta contribui para a melhoria de geração, estabilidade e despachabilidade da fonte solar fotovoltaica.
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