fontes eólica e solar: oportunidades e desafios · 2019. 10. 24. · as fontes renováveis não...
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Fontes Eólica e Solar: oportunidades e desafios
Frente Parlamentar da Engenharia, Infraestrutura e Desenvolvimento Nacional
Enio Bueno Pereirahttp://labren.ccst.inpe.br/
23/10/2019
24 October 2019 1
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPECentro de Ciências do Sistema Terrestre - CCST
2
http://www.ccst.inpe.br/
Criado a partir da necessidade da ampliação da agenda científica do INPE com foco temático na interface entre as
mudanças ambientais globais e as questões de desenvolvimento para o país, com uma visão interdisciplinar
NEXUS – caminho para a sustentabilidade
ÁguaMananciais
RiosLagos
Subterrânea
Evaporação
EnergiaSolar
EólicaHídrica
Biomassa
Termoelétrica
AlimentosBiomassaFlorestas
AgriculturaPecuária
Pesca
NEXOda sustentabilidade
Água para energia
Energia para água
Energia para alimentos
Água para alimentos
Alimentos para energia
(biocombustível)
Muda
nças
doCl
ima
Mudanças
Socio-econômicas
24 October 2019
Laboratório de Modelagem e Estudos de Recursos Renováveis de Energia
3
• Levantamento de recursos solar e eólico,utilizando dados de satélites e modeloscomputacionais;
• Desenvolvimento de ferramentas de previsão degeração de energia solar e eólica;
• Estudos sobre variabilidade e impacto dasmudanças climáticas sobre os recursos solar eeólico;
• Segurança energética - NEXO Água-Energia-Alimentos
• Operação e coleta de dados no campo – redeSONDA
http://labren.ccst.inpe.br/
24 October 2019
As fontes renováveis não despacháveis ainda enfrentam alguns
obstáculos. Há uma visão recorrente no setor de energia
elétrica de que a geração eólica e solar não são confiáveis
devido a intermitência e a falta de informação segura sobre
essas fontes.
A Idade da Pedra não terminou porque ficamos sem pedra, mas porque o bronze e
o ferro provaram ser melhores substitutos, da mesma forma o petróleo e o gás
natural, serão substituídos, não porque acabaram, mas porque os substitutos se
tornaram mais baratos e mais eficientes.
Transição energética - desenvolvimento sustentável
24 October 2019 5
Renováveis - Meteorologia da Energia
24 October 2019 6
Cadeia de conhecimento da fonte renovável
Meteorologia
Transmissão UsoProspecçãoExploração
Geologia
ProspecçãoExploração
Refino UsoTransporte
Armazenamento
Transição energética - desenvolvimento sustentável
Barreiras de informação (técnica, científica, econômica)
Potenciais reais das fontes solar e eólica (geração)
Dependência climática e meteorológica (variabilidade)
Complementaridade entre fontes (despachabilidade)
Vulnerabilidades (previsão, impactos)
24 October 2019 7
24 October 2019 8
Fonte: http://www.ren21.net/
Últimos 10 anos
Potencial solar brasileiro
Solar irradiance in Brazil
22/11/2018 1st Workshop Solar Energy - FAPESP
Mais altos níveis, menor variaçãointerannual e um sistemainterligado de distribuição fazemdo Brasil um candidato natural a liderar no uso da energia solar
Atlas Brasileiro de Energia Solar
2006
2017
24 October 2019 9
Potencial solar brasileiro
Potencia instalada, 2019Brazil: 2,4 GW
Alemanha: 46 GW
8 alemanhas no cinturão solar638 GW (corrigido)
Projeção da matriz – PDE 2027216,3GW
Irradiação solar media annualBrasil (cinturão): 5,2 kWh/m2
Alemanha: 3,0 kWh/m2
24 October 2019 10
Cinturão solar
11
Geração solar em áreas já degradadas
70.000 km² áreas degradadas ou em processo de desertificação
quase 30 vezes a demanda nacional
24 October 2019 11
Geração Hidraulica vs. Fotovoltaica emreservatórios
12
75
1936
79.8
21.4
178.7
0
50
100
150
200
Itaipú Jirau Tucuruí
Hydro PV
Eficiência FV: 10 %Eficiência conversão: 75 %Densidade de instalação: 80 W/m²
• Fotovoltaica pode gerar igual ou mais do que a própria hidrelétrica
• Produção PV excedente utilizada para economizar água no reservatório para geração na estiagem e uso múltiplo da água.
Área alagada utilizada: 1%3.792 módulos de placas solares
11.000 m²1 MWp (2019) → 2,5 MWp
US$ 5.333 / kWp
Usina piloto em Sobradinho
24 October 2019
Potencial solar sobre reservatórios hidrelétricos
Qual é o efeito final sobre a produção e custo de energia produzida?
Tucurui
Balbina
• Menor cobertura de nuvens sobre grandes massasde água (subsidência)
• PV flutuantes apresentam rendimento maiordevido a refrigeração (8-12%)
• Reduz evaporação (30 -70%)
• Proximidade da rede de transmissão
subsidência
Segurança hídrica-energética-alimentar
Simulação das dimensões de plantas PV flutuantes em Sobradinho
Potência instalada gerador: 1.050 MW
Máx teórico: 9200 GWh
Recompor media histórica 2.000 GWh
-
1,000
2,000
3,000
4,000
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6,000
19992000
20012002
20032004
20052006
20072008
20092010
20112012
20132014
20152016
20172018
Sobradinho Média 1999-2008 Média 2013-2018 Linear (Sobradinho)
2.000 GWh
* 2.000 GWh à 15 km²
Potencial para heliotérmicas - CSP(kWh/m2.year)
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Espanha
Espanha: 2,3GW de CSP instalados Área viável para CSP no Brasil >> do que na Espanha15
Variabilidade e Complementaridadeaumentar segurança energética sem desestabilizar o SIN
Solar-Solar- Quando o sul está
nublado, onde há maior probabilidade de sol?
Hidro-Hidro- Quando a vazão no
São Francisco diminui, em quais
bacias a vazão aumenta?
Eólica-Eólica- Quando o vento está calmo no NE, onde o vento está
mais intenso?
Hidro-SolarQuando a vazão nas bacias hidrelétricas
diminui, onde há maior probabilidade de sol?
Solar-EólicaQuando o vento está
calmo no NE, há maior probabilidade de sol no
CO/SE/S?
Hidro-Eólica- Quando a vazão no
São Francisco diminui, onde há maior
probabilidade de ventos intensos?
Hidro-Solar-Eólica- Quando a geração hidrelétrica diminui:
1) onde há maior probabilidade de ventos
mais intensos?2) Onde probabilidade de
maior insolação?
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céu claro
Medidas no local
Efeito de alizamento da curva de geração PV com ampliação do parque de geração
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1 5 25 77
17
Número de plantas distribuidas em todo o NE
Complementaridade hidrica – eólica no Nordeste
Fonte: ONS
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
Ano 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
GW
h/a
no
Eólica Hidrica
24.10.19 18
Complementaridade Solar – Eólica
Petrolina, PESão Martinho da Serra, RS
12 anos de dados da rede SONDA:
Vento a cada 10 minutosIrradiância iradiância a cada 5 minutos.
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Potencial eólicoReavaliação com torres de aerogeradores mais altos
Atlas brasileiro de energia eólica (2001)Aerogeradores a 50m
Reavaliação do potencial para aerogeradores a 100m
aprox. 12 vezes superior
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Densidade de potênciaScatterometer (ASCAT-A e -B)
Estimativa do Potencial Eólico Offshore
Região A 461–956 W.m−2
Região B 376–594 W.m−2
Região C 184–525 W.m−2
A
B
C
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1,3 TW na batimetria de 200m.
Potencial eólico sobre reservatórios hidrelétricos
Qual é o efeito final sobre a produção de energia eólica?
Arcilan Assireu, Felipe Pimenta and Vanessa Souza 14
Accordingly, the wind rose distribution for Itumbiara, shown on Figure
6.a, illustrate that easterly winds are the predominant direction for this
reservoir. This is in agreement with the reservoirs main fetch direction. Winds
from the eastern quadrant typically occur > 35% of time for Itumbiara (Figure
6). Since large-scale winds are approximately parallel to the mountains, the
local topography has a funneling effect, modifying the wind direction and the
wind speed (i.e. speed-up phenomenon) (Bullard et al., 2000). The process is
similar to a mechanism identified by Whiteman and Doran (1993) for the
Tennessee Valley, USA. Large-scale winds associated with synoptic systems
pass over the valley, converging between the mountains, causing a
surface with similar or different direction than the synoptic system.
Figure 5. (a) Topography and (b) elevation map of the Itumbiara Reservoir. The arrow
on (b) indicates the prevailing wind direction.
Reservatório Furnas- Itumbiara
brizas + tunelamento
Cenários de impacto das mudanças climáticas no recurso eólico
24 October 2019 23
2011–2040
2041–2070
2071–2100
Região Nordeste – Densidade de Potência do vento
Cenários de impacto das mudanças climáticas no recurso eólico e solar
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Ajuste nos modelos climáticospara potencial eólico futuro
Ajuste nos modelos climáticospara potencial solar futuro
Cenários de impacto sobre ventos extremos
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Aumento da frequência de ventos extremos em SC
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Limites de inserção de energia renovável variável
❖ Penetração de 25% a 35% (IEA, 2016b)
❖ Portugal, Espanha, Irlanda, Dinamarca e Alemanha acima de 40% por alguns períodos no ano (IRENA, 2016; WECOUNCIL, 2016).
❖ Brasil poderia operar seu sistema com penetração de até 46% (SCHMIDT et al., 2016).
❖ Hoje estamos com apenas aprox. 9% de intermitentes na rede, e na maior parte com eólicas.
❖ Logo, podemos aumentar a participação das intermitentes em mais 37% sem problemas para o SIN. A partir disso, temos que pensar em tecnologias de armazenamento.
❖ Esse acréscimo viável das intermitentes é compatível com a demanda de energia elétrica projetada para 2030.
Favorecem a integração:
• Redução no tempo de resposta
• Planejamento espacial da matriz
• Hibridização de plantas de geração
• Armazenamento de energia (RASMUSSEN et al., 2012); BORBA et al., 2012)
• Interconexão entre sistemas elétricos nacionais (HALLER, 2012);
• Controle de demanda24 October 2019 26
The best method depends on the forecast horizon
• Persistence from local ground measurements
• Cloud Motion from Sky Imagers - CM-SI –prediction with high spatial and temporal resolution forecastings of ramp effects (up to 30 minutes)
• Cloud Motion from Satellites - CM-Sat Uses satellite radiative transfer models (Ex: BRASIL-SR) providing regional forecasts for horizons from 30 minutes to 6 hours
• Numerical Weather Prediction - NWPAtmospheric models provides forecasts for vast regions on the horizon from 12h to 72h. They need adjustments through machine learning techniques (eg. neural networks)
Solar forecasting methodology
segundos minutos horas dias
pontual Séries temporais
CM-SI: sky imagers
CM-Sat: satellite images
CM-NWP: numerical weather prediction models
Persistence
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Previsão combinada:CM-SI: Movimento nuvens por câmeras all-skyCM-Sat: Movimento nuvens por satélitesNWP: Modelos de previsão de tempoajustados
Previsão de radiação solar
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CM-SI
segundos minutos horas dias
pontual Séries temporais
CM-Sat NWP-ANN
segundos minutos horas dias
pontual Séries temporais
até 1 diahoras 1 a 3 dias
Previsão solar por movimento de nuvensDados satelitais ou de câmeras imageadoras em superfície (CM-SI e CM-Sat)
30 min
>80%
similar
1 hora
77%
similar
4 horas
65%
similar
Observação - Previsão
Dados em t
Dados em t + dt
Assimilação
de dados.Processamento
Previsão:
Imagem Sintética.
1. As gerações de fontes intermitentes nunca irão substituir a geração de fontes despacháveisNo último período de seca as eólicas já foram responsáveis por garantir a maior parte do abastecimento no Nordeste. O Brasil tem só 9% de intermitentes na rede e pode aumentar essa carga em mais de 40% sem problemas para o SIN tendo como suporte as hidrelétricas.
2. Energias intermitentes não são confiáveis e não podem ser previstasVárias instituições de pesquisa no Brasil detém o conhecimento o necessário para o desenvolvimento de ferramentas robustas de previsão de curto, médio e longo prazo, com destaque para o INPE que atua nessa área há vários anos.
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MITOS DA ENERGIA INTERMITENTE
4. Grandes quantidades de geração de energia solar e eólica vão desestabilizar o SIN e podem causar apagõesVários estudos recentes em todo o mundo afirmam que não há barreira técnica ou econômica para a transição de todo o mundo para 100% de energia limpa e renovável, com uma rede elétrica resiliente , com uma composição apropriada de energia eólica, solar e hídrica complementares.
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MITOS DA ENERGIA INTERMITENTE
3. Sistemas de armazenamento de alto custo são necessários para dar confiabilidade ao uso das energias solar e eólica na rede elétrica As redes inteligentes (smart grids) e complementariedade das fontes darão o suporte para o aumento da integração na rede. Outras opções tais como um mínimo de armazenamento na forma de baterias, geração de hidrogênio e bombeamento reverso de hidrelétricas oferecem excelentes alternativas para isso.
5. Para cada usina fotovoltaica ou eólica instalada, uma capacidade igual de eletricidade gerada por termelétricas deve existir em segundo planoAs usinas hidreletricas em uma rede nacional totalmente interligada como no Brasil, combinadas com métodos modernos de gerenciamento de rede, reduzem a necessidade de usinas de combustível fóssil.
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MITOS DA ENERGIA INTERMITENTE
6. O crescimento da energia solar vai afetar o pico de carga no final da tarde, já que os painéis solares produzem energia durante o dia e ficam fora de linha durante o pico da demanda de eletricidade da noite e será muito difícil resolver esse problema.O gerenciamento do lado da demanda, juntamente com o equilíbrio de curto prazo e o armazenamento elétrico (possivelmente fazendo uso de veículos elétricos ajustando as suas práticas de carregamento) oferecem uma solução para isso.
5. Excesso de geração de energia solar e eólica será desperdiçada, fazendo com que os preços de eletricidade no varejo aumentemHá muitas maneiras de utilizar o excesso de geração, incluindo energia para o mercado crescente de refrigeração, por armazenamento em bombeamento reverso e por produção de hidrogênio ou combustível sintético.
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MITOS DA ENERGIA INTERMITENTE
6. Transmitir energia solar e eólica através da rede elétrica por longas distâncias é altamente ineficiente e dispendiosoOs sistemas solares fotovoltaicos, em geração distribuída, estão localizados nos principais centros consumidores, reduzindo os requisitos da rede de transmissão. Para a transmissão de longa distância, novas linhas de transmissão de corrente contínua de alta tensão (HVDC) são mais eficientes.
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Equipe do LABREN