Usinas Hibridas – UHE Usina Hidroelétrica / USF Usina Solar Flutuante

O governo brasileiro inaugurou em 5/10/19 a primeira etapa de uma usina solar flutuante fotovoltaica, instalada pela Companhia Hidroelétrica do São Francisco (Chesf) na Usina Hidrelétrica de Sobradinho,  no rio São Francisco , com capacidade de 1 megawatt-pico de energia e deverá ter ao todo 2,5 MWp . Este  projeto visa abrir caminho para a instalação de outros painéis solares flutuantes, a fim de atrair investimentos privados e realizar leilões para produção de energia renovável na área do rio São Francisco.   

Figura 1 – Usina Solar Flutuante de Sobradinho – Bahia 

O sistema hibrido de integração de uma usina solar flutuante com uma usina hidroelétrica permite criar sinergias superiores sobre estas tecnologias quando estas estão operando separadamente. São elas:

I-A característica de rápida elevação da energia gerada  pela hidroelétrica serve como uma espécie de armazenamento virtual de energia que equilibra  a variabilidade do fornecimento de energia solar ;

II-A entrada de água para a hidroelétrica pode ser reduzida à medida em que a usina solar aumenta a sua geração devido ao  crescimento da demanda ; 

III-A água pode então continuar a ser armazenada  para o pico de energia que surge ao final da tarde,  principalmente  na estação mais seca ;

IV-O funcionamento deste  sistema hibrido de elevação de energia pela hidrelétrica e da intermitência da solar flutuante pode ser despachável ;

V-A capacidade de armazenamento constitui um “handicap” de vez que o custo de capital se refere somente à adição de capacidade  pela usina solar;

VI- Os impactos ambientais das grandes hidroelétricas podem ser reduzidos:

VII- Maior produção de  energia com a mesma área inundada;

VIII-Utilização da mesma infraestrutura de acessos e da  linha de transmissão inclusive a subestação. Isto pode ser um grande ganho. Caso seja necessário adaptar esta  infraestrutura  isto seria  mais econômico do  que construir uma nova ;

Os principais  fatores que  influem na decisão para a instalação de usinas híbridas  Solar Flutuante  -  Hidrelétrica, são os seguintes:

a-     A Insolação é  mais adequada na água do que em terra firme;

b-     A água cobre dois terços da superfície terrestre;

c-     Outras fontes de energia, como por exemplo,   a hidroeletricidade fornecem 20% de toda a eletricidade do mundo;

d-     Custos crescentes e indisponibilidade de terras para desenvolvimento comercial;

e-     Baixa capacidade de utilização das usinas hidroelétricas e menor eficiência das usinas solares em terra;

f-      Desafios específicos para as  nações isoladas em  atender às demandas de energia;

g-     Variabilidade da produção de energia causada pela natureza intermitente das usinas solares;

h-     Problemas de instabilidade das redes com a transmissão de energia de uma única fonte;

i-      Grande  correlação já existente  entre água e energia.

Figura 2 – “ Curva do Pato”

A “curva do pato” é o mais famoso dos gráficos de energia elétrica existentes, projetando a grande queda de geração durante a parte  media do dia, entre as 7horas e 16 horas para os anos de 2013 quando foi criada até  2020, na California -  EE.UU. Registra-se que é justamente neste período de redução da carga que a usina flutuante solar pode auxiliar, gerando a carga necessária para atender a demanda .  Apresenta-se na Figura 3 como funciona usualmente a operação da  usina hibrida “solar flutuante e hidroelétrica”, através da geração diária de energia da usina hidroelétrica , da solar flutuante e da integração  das 2 fontes. O gráfico mostra que a geração da usina solar preenche o “gap” da geração diária da hidrelétrica , tornando o sistema conjunto mais eficiente e menos variável.

Figura 3- Perfil Usual de carga e produção de energia por sistema hibrido hidroelétrico – Solar 

Tipos : Usuais de Hibridização de Energia Elétrica

Fotovoltaica / USF + Eólica / EOL

Fotovoltaica- USF + Hidroelétrica / UHE

Hidroelétrica /UHE + Eólica / EOL

Térmica Solar /UTS  +  Biomassa / BIO

 Os sistemas híbridos de energia são definidos como uma integração de diversos  tipos de sistemas de geração e de armazenamento de energia,  abrangendo  fontes de energia renovável , além de poderem ainda  serem conectados às subestações e  às redes  de transmissão  já existentes.

  Principais  vantagens do  Sistema Híbrido  Flutuante Solar +  Hidroelétrica

 - Conectividade destes sistemas com a rede elétrica ( linhas de transmissão, transformadores, etc. , já existentes,  tornando este tipo de sistema hibrido mais rentável;

- Utilização destes sistemas em superfícies de  reservatórios economizando extraordinariamente o custo com aquisição de terras para o projeto. Adicionalmente as estadas já são existentes para acesso à hidroelétrica, reduzindo os custos de construção e transporte de equipamentos ;

- Cada litro de água não evaporado produzirá energia hidrelétrica adicional;

- Os recursos de água e de energia solar compensam-se mutuamente quando em operação conjunta como usina hibrida. Isto é verdade não somente para o ciclo diário ( uso da energia solar durante o dia e hidroeletricidade durante a noite ) mas também para todas as estações do ano.

- A usina solar flutuante é mais compacta do que aquelas em terra, sendo o seu gerenciamento mais simples e sua montagem e desinstalação muito mais fácil. A principal razão disto é que não existem estruturas fixas, podendo as ancoragens e amarrações dos sistemas flutuantes serem instaladas e desinstaladas de uma forma totalmente reversível, diferentemente das fundações de uma usina solar em terra que são mais permanentes.

- O resfriamento provocado pela água aumenta a eficiência dos painéis solares. O resfriamento provocado pela estrutura flutuante reduz a evaporação e preserva a água para a produção hidroelétrica e outros usos.

-O sombreamento proporcionado pela usina solar flutuante reduz o crescimento de algas e como resultado melhora a qualidade da água.

-Usinas flutuantes equipadas com sistemas de monitoramento apresentam  pequeno custo adicional, permitindo ganho de energia da ordem de 15 a 25%

 Desenvolvimento dos Sistemas Híbridos UHE + USF

 Desde o final do século 18 foram construídas as usinas hidroelétricas mais antigas, algumas ainda em operação. Este tipo de usina é o maior recurso disponível para auxiliar no  controle de cheias, gerenciamento de água, entretenimento e estabilidade das redes elétricas.

 Nestas usinas hidroelétricas a evaporação da água dos reservatórios  apresenta   grande perda de água,  que poderia   acionar turbinas hidráulicas gerando mais energia elétrica.  Por outro lado, a construção de usinas hidrelétricas com seu considerável  impacto ambiental  é, portanto,  uma decisão de complexo custo x benéfico para a humanidade, mas que  poderá eventualmente  vir a modificar-se em anos futuros com o desenvolvimento de outras formas de energia elétrica em grande escala.

Figura 4– Usina Hibrida Alto Rabagão em Portugal – 220KW

A hidroeletricidade  atualmente instalada no mundo   alcançou 1308 GW em 2019,  com um pico de 4306 TWh. Desta capacidade,  328 GW são usinas a fio d’água sem reservatório e 138,7 GW de usinas reversíveis,  constituindo  parte importante do mix global de energia elétrica e  representando  53% de todas as fontes de energia renovável no mundo, com  a energia eólica representando 24%  e a energia solar 18%. Os sistemas híbridos de painéis solares flutuantes e usinas hidrelétricas podem ter o potencial técnico para produzir uma parte significativa da eletricidade gerada anualmente em todo o mundo, de acordo com o Laboratório Nacional de Energia Renovável do Departamento de Energia dos EUA – NREL

Os pesquisadores estimam que a adição de painéis solares flutuantes em reservatórios que já abrigam usinas hidrelétricas poderiam  produzir  até cerca de 10.600 terawatt-hora de geração potencial anual.  Esses números não incluem a quantidade gerada a partir da energia hidrelétrica. Para comparação, o consumo final global de eletricidade em 2018 foi de pouco mais de 22.300 terawatt-hora , o ano mais recente para o qual as estatísticas estão disponíveis.  D acordo com a Agência Internacional de Energia as usinas hibridas poderiam então representar cerca  da metade de toda a energia anual produzida no mundo.

Figura 5 – Capacidade mundial instalada de Usinas Hibridas Flutuantes

Conclusões:

O acoplamento de uma usina solar flutuante com uma usina hidroelétrica permite um considerável aumento da produção de energias renováveis , sendo o custo das usinas flutuantes pouco superior àquelas usinas em terra.  A estratégia básica  consiste na  instalação de  usinas solares flutuantes no reservatório da hidroelétrica com o objetivo de reduzir a produção de energia das turbinas hidráulicas  durante as horas de sol, mantendo a alimentação para o sistema de transmissão em nível aproximadamente constante, com a elevada, mas esporádica produção da usina solar flutuante,  a qual está ainda bem ajustada para atender aos picos de demanda. Devido às vantagens deste tipo de energia hibrida, as oportunidades de mercado deverão crescer  e adicionalmente  reduzindo a emissão dos  gases de efeito estufa.

Jose Augusto Pimentel Pessoa – Eng. Sênior

Agosto de 2021

Referências:

1-Integration of PV floating with hydroelectric power plants Raniero Cazzaniga b , Marco Rosa-Clot , Paolo Rosa-Clot , Giuseppe Marco Tina  - 2019

2- Hybrid Floating Solar Plant Designs: A Review Evgeny Solomin 1,*, Evgeny Sirotkin 1 , Erdem Cuce 2,3, Shanmuga Priya Selvanathan 4 and Sudhakar Kumarasamy 1,5,6, - 2021Governo do

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6-  Solar Power World       - Emmanuele Quaranta – 2020

7-Number of Reservoirs in the World -by Liz Osborn CurrentResults.com-2021

8- Floating Solar on existing Hydro reservoirs: potential for 10600 TWh/year= October 7, 2020 by NREL