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Instalações de sistemas solares flutuantes

Este é um ambiente exigente para a geração de energia renovável do futuro

Autor: 29 de dezembro de 2021janeiro 4th, 2022Artigos técnicos
Instalações de sistemas solares flutuantes

Instalações flutuantes consistem, normalmente, em um conjunto de painéis solares montados sobre superfícies de água salgada ou doce. Foto: Divulgação/Weidmueller

*Com colaboração de Mauro da Rosa Sirtoli

A energia solar tem sido tradicionalmente configurada para ser instalada em grandes extensões de terra ou em telhados de edifícios.

Desde 2010 novos espaços tornaram-se uma opção sólida no que diz respeito à instalação de painéis solares: a água. Lagoas, lagos e reservatórios foram recentemente considerados como um local adequado para implantar usinas de energia solar, especialmente em países onde a terra é um recurso escasso.

Usinas solares flutuantes são interessantes em locais onde a alta densidade populacional pode tornar o custo de um pedaço de terra extremamente alto ou quando não há terreno adequado para a instalação do tipo tradicional.

As instalações flutuantes consistem normalmente em um conjunto de painéis solares montados em uma estrutura metálica de inclinação fixa que é montada em balsas flutuantes que são colocadas em superfícies de água salgada ou doce.

Essas plataformas flutuantes podem ser ancoradas no fundo de reservatórios, lagos ou diretamente na costa mais próxima. Essas âncoras permitem que a planta flutuante seja fixada em um determinado local, permitindo flexibilidade e jogo suficientes para ajustar sua posição com o movimento da água, das ondas ou marés.

A corrente CC dos painéis é geralmente transportada através de cabos subaquáticos para a costa mais próxima, onde os inversores estão localizados (aplicável às configurações de inversor central). Se a planta solar flutuante utiliza inversores de strings, estes estarão localizados próximo às strings, na estrutura flutuante.

Depois dos inversores, a corrente passa pelo transformador, que normalmente é um elevador de tensão. Finalmente, usando uma linha de transmissão ou distribuição, a energia é injetada na rede ou alimentará diretamente um centro de consumo (cargas).

Ilustração de uma usina solar flutuante e seus principais componentes

Ilustração de uma usina solar flutuante e seus principais componentes. Foto: Floating Solar Market Report Executive Summary / Banco Mundial

As plantas solares flutuantes têm algumas vantagens sobre as montadas no solo, como: 

  • Utilizam infraestruturas de transmissão já existentes quando instaladas nas proximidades das usinas hidrelétricas;
  • Apresentam melhor rendimento devido ao efeito de resfriamento da água e menor impacto de sujeira  nos painéis;
  • Podem ser usadas próximo de centros de demanda e, conforme mencionado anteriormente, em áreas que normalmente ficavam ociosas;
  • Apresentam bom custo-benefício. Vantagens no rendimento podem variar  dependendo de vários fatores, mas como estudado até agora, essas vantagens superam o  aumento das despesas (CAPEX) deste tipo de instalações solares;
  • Reduzem a evaporação de água dos reservatórios, o que é especialmente interessante em áreas onde a água é utilizada para agricultura, o abastecimento de água à população civil ou qualquer caso em que a água doce seja um recurso limitado;
  • Despesas reduzidas ou nulas em obras civis e terraplenagem, que em alguns casos podem ter  grande impacto ambiental. 

Crescimento do mercado de plantas flutuantes

Com o rápido crescimento da indústria fotovoltaica em geral, novas aplicações surgiram. As instalações flutuantes começaram a ser instaladas no início de 2008 com alguns projetos pilotos, mas não foram relevantes até 2016, quando a capacidade anual instalada ultrapassou os 100 MWp em todo o mundo. 

Hoje em dia, as instalações flutuantes ainda estão emergindo em comparação com a solar fotovoltaica montada no solo, mas seu crescimento é exponencial  principalmente alavancado com a diminuição contínua de custos de painéis solares, inversores e restante de BOS (balance of system).

Capacidade instalada de usinas solares flutuantes no mundo

Capacidade instalada de usinas solares flutuantes no mundo. Foto: Floating Solar Market Report Executive Summary / Banco Mundial

Instalações flutuantes maiores que 1 MWp começaram a ser instaladas no final de 2013 e no  início de 2014, particularmente no Japão e na Coreia, onde a terra é um ativo valioso para o  desenvolvimento imobiliário. 

Usinas solares de maior porte (acima de 50 MWp) tornaram-se realidade na China no início de 2018 sendo, neste momento, líder não apenas em usinas solares  montadas no solo, mas também em instalações flutuantes. 

A maior parte das instalações realizadas e em desenvolvimento está em água doce,  principalmente devido à facilidade de instalação e ao menor número de complicações técnicas em comparação com locais de água salgada (corrosão, forças dinâmicas nas estruturas,  condições ambientais, etc). 

Embora as usinas solares flutuantes no mar ou em áreas costeiras/marítimas representem  complexidades adicionais, estas estão se tornando mais populares, particularmente para  territórios insulares onde o terreno interior não pode ou não é desejável para ser usado para  fins solares. 

Os principais desafios para o litoral ou energia fotovoltaica flutuante marítima incluem, mas não somente:  

  • Maior carga dinâmica em balsas flutuantes principalmente devido a ondas, marés e ventos. Necessidade de construção mais resistente e capaz de suportar essas cargas por longos períodos de tempo (a vida útil das usinas solares tende a ser em torno de 20 anos);
  • A ancoragem de dispositivos/balsas flutuantes também precisa de requisitos mais elevados em termos de resistência mecânica e dinâmica. Pode haver dificuldade adicional quando as  âncoras precisam estar debaixo d’água a uma certa profundidade;
  • A névoa salina está presente no ar, criando a um ambiente de corrosão agressivo, afetando a durabilidade de todos os componentes da planta solar, em particular peças de metal;
  • Interação entre animais e organismos marinhos que pode interferir na funcionalidade de todo o sistema;
  • Os custos de O&M tendem a ser maiores na aplicação marinha do que na aplicação de água  doce, principalmente devido à maior taxa de falha em ambientes salgados e à necessidade de mais atividades de manutenção preventiva;
  • As maiores incertezas das aplicações marítimas flutuantes são os custos de longo prazo, o  desempenho do local e a durabilidade dos materiais e componentes. 

Em termos de política e regulamentação especial, é importante mencionar que as usinas  solares flutuantes em água doce ou salgada ainda estão embrionárias em comparação com os sistemas de montagem no solo. 

A maior parte do processo é semelhante ou igual à geração centralizada, mas alguns desafios são encontrados na obtenção de licenças e autorizações ambientais, direitos de uso da água ou preços de “aluguel de água”. 

As usinas solares  flutuantes podem não precisar de incentivos adicionais como FIT (Feed in Tariffs), leilões,  licitações ou quaisquer outros mecanismos, mas é certo que o projeto inicial pode acarretar  algum custo adicional devido aos “riscos de tecnologia” ou novos produtos específicos para tal aplicação que podem ter seus custos reduzidos quando o uso desse tipo de usina for ampliado.

As oportunidades de mercado parecem ilimitadas devido à quantidade de água disponível no  planeta. No entanto, o potencial solar flutuante não é apenas determinado pelo espaço disponível, mas também pelas necessidades de energia no futuro, bem como pela participação de mercado que as usinas flutuantes poderiam alcançar, competindo com outras tecnologias e locais. 

Considerações financeiras em projetos fotovoltaicos solares flutuantes

A tabela a seguir apresenta uma avaliação do real potencial para os próximos anos de geração fotovoltaica flutuante (a partir de 2020).

Capacidade (potência de pico) e potencial de geração de energia de usinas solares flutuantes em reservatórios artificiais de água doce, por continente

Capacidade (potência de pico) e potencial de geração de energia de usinas solares flutuantes em reservatórios artificiais de água doce, por continente

Esta tabela assume um rendimento médio (kWh/kWp) para todas as instalações com um mesmo GCR (Ground Coverage Ratio, ou Taxa de cobertura do solo) ou WCR (taxa de cobertura de água/reservatórios), que podem ser diferentes dependendo da localização. Em qualquer caso, como uma estimativa, a tabela acima fornece uma visão precisa o suficiente sobre o potencial das aplicações.

O custo de usinas solares flutuantes é um pouco mais alto quando se olha seu investimento inicial em comparação com seu tamanho e local semelhante em solo.

Os custos mais elevados devem-se principalmente à plataforma flutuante (em comparação aos perfis montados no solo), aos elementos de ancoragem (não necessários para instalações de montagem no solo) e à maior exigência técnica de alguns componentes devido à alta umidade e corrosão.

Além disso, se a instalação flutuante estiver localizada em áreas costeiras, custos adicionais precisam ser considerados devido a especificações superiores de componentes. As despesas de capital de um sistema flutuante variam entre R$ 4,584 e R$ 7,45 por watt de pico, incluindo os custos de transformador e transmissão até o ponto de derivação.

Embora esses números sejam provisórios, eles podem variar dependendo da localização do projeto, tipos de flutuadores usados, profundidade de seu mecanismo de ancoragem e tamanho de todo o sistema.

Pode haver economia na instalação de sistemas flutuantes, bem como nos de solo, com o aumento da escala. No momento, a instalação flutuante tem custos semelhantes aos de sistemas em telhado.

O gráfico abaixo mostra as despesas de capital de um sistema flutuante dependendo das regiões e tamanhos (Valores em US$/Wp).

Custos de usinas solares flutuantes em alguns locais do mundo no período entre 2014 e 2018.

Foto: Floating Solar Market Report Executive Summary / Banco Mundial

O que é muito interessante de analisar é que enquanto o investimento inicial para o sistema flutuante de larga escala é maior do que o do seu homólogo em terra, o LCOE final (custo nivelado de eletricidade) seria comparável, considerado o maior rendimento dos sistemas flutuantes.

O aumento esperado de rendimento ou do PR (performance ratio) está entre 5% a 10% em comparação com sistemas solares montados em solo. A tabela a seguir, elaborada pelo SERIS (Solar Energy Research Institute of Singapore) mostra a comparação do LCOE entre a mesma usina solar (50 MWp) montada em solo e flutuante em três locais ou regiões diferentes.

Comparação do LCOE entre plantas solares de solo e flutuantes de 50 MWp, por região

Foto: Floating Solar Market Report Executive Summary / Banco Mundial

Pode-se observar que com um aumento da taxa de desempenho (PR) a diferença do LCOE entre uma dada instalação flutuante e uma em solo varia entre 3,52% e 3,53% entre diferentes locais em um WACC (Custo Médio Ponderado de Capital) de 6% e entre 4,21% e 4,52% com um WACC de 10%.

A diferença não é significativa, especialmente no estágio em que os sistemas fotovoltaicos flutuantes parecem estar em sua fase embrionária. Parece lógico até mesmo que, com a adoção massiva dos sistemas flutuantes, seu CAPEX poderia cair ainda mais e se tornar mais barato do que os sistemas montados no solo.

Além disso, supondo que a superfície da água em algumas regiões poderia se tornar ainda mais barata do que o solo disponível, os sistemas fotovoltaicos flutuantes podem até se tornar, a médio prazo, ainda mais atraentes do que os serviços tradicionais de plantas solares em larga escala.

Conclusões

Dentro da indústria fotovoltaica, um novo ramo de rápido crescimento surgiu na forma de sistemas flutuantes. Esses tipos de usinas solares fornecem um novo cenário para as energias renováveis, o que possibilitaria a certos países um mix de energia de mais limpo e com menor impacto ambiental, enquanto se beneficiam de superfícies ociosas.

A redução do uso de terras é o principal atrativo da energia solar flutuante, possibilitando a expansão imobiliária ou o uso de terras para a agricultura.

Quando todos esses benefícios são combinados com um rendimento de produção adicional de 5% a 10% em comparação com os sistemas de solo, o LCOE para sistemas flutuantes tem valores próximos daqueles obtidos com planta de solo.

Este fato faz as usinas flutuantes tornarem-se muito mais atraentes, especialmente considerando que essas aplicações ainda estão em um estágio muito inicial de utilização.

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* Mauro da Rosa Sirtoli é engenheiro Eletricista com especialização em Eletrônica e Telecomunicações(PUCRS). No início de 2019, ingressou na Weidmueller Brasil como Field Sales Engineering na Filial Sul, atendendo contas em Porto Alegre e Região. A partir de junho de 2021, assumiu a responsabilidade pelo departamento de Energias renováveis, atuando principalmente em projetos de fornecimento de StringBox para geração centralizada, negociação de contratos com varejo para caixas de microgeração e suporte comercial para o mercado de Wind Solutions.

As opiniões e informações apresentadas são de responsabilidade do autor e não refletem, necessariamente, a opinião do Canal Solar.

Felipe Anjoulete de Oliveira

Felipe Anjoulete de Oliveira

Engenheiro de Controle e Automação, formado pela Universidade Fundação Santo André (FSA) e Especialista em Projetos Fotovoltaicos. Iniciou sua carreira na Weidmüller Conexel em 2015, atuando na engenharia com desenvolvimento de projetos na área de eletrônicos, automação fotovoltaico e suporte pós venda. Em julho de 2021, passou a responder como Engenheiro de Aplicação no setor de Energias Renováveis, com análises e especificações de projetos solares e suporte na área de projetos eólicos.

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