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 energia solar, especialmente em países onde a terra é um recurso escasso. A alta densidade populacional pode tornar o custo de um pedaço de terra extremamente alto ou quando não há terreno adequado para instalação do tipo tradicional de usinas solares.
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, ondas ou marés. A corrente CC dos painéis é geralmente transportada através de fios subaquáticos para a costa mais próxima onde os inversores estão localizados (aplicável às configurações de inversor central). Se a planta solar flutuante utiliza inversores string, estes estarão localizados próximo as strings na estrutura flutuante. Depois dos inversores, a corrente passa pelo transformador para normalmente aumentar sua tensão. Finalmente, usando uma linha de transmissão ou distribuição, a energia é injetada na rede ou alimentará diretamente um centro de consumo (cargas).
As plantas solares flutuantes têm algumas vantagens sobre as montadas no solo, como:
• Utilizar infraestruturas de transmissão já existentes quando instaladas nas proximidades das usinas hidrelétricas.
• Melhores rendimentos devido ao efeito de resfriamento da água e menor impacto de sujeira nos painéis.
• Proximidade de centros de demanda e conforme mencionado anteriormente, oportunidade de uso de áreas que normalmente ficavam ociosas. 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.
• Reduzir a evaporação de água dos reservatórios, 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 pode ter grande impacto ambiental.
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 (Equilíbrio do sistema).
Instalações flutuantes maiores que 1 MWp começaram a ser instaladas no final de 2013 e no início de 2014, particularmente no Japão e na Coréia onde a terra é um ativo valioso para o desenvolvimento imobiliário. Usinas solares de maior porte (> 50MWp) se tornaram 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 são 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 inclui, mas não está limitada a:
• Maior carga dinâmica em balsas flutuantes principalmente devido a ondas, marés e ventos que se transformam em uma 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, levando a um ambiente de corrosão agressivo, afetando a durabilidade de todos os componentes do site 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 maior na aplicação marinha do que na aplicação de água doce, principalmente devido à maior taxa de falha em ambientes salgados e 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 a 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 diminuir seus custos quando a flutuação se tornar dominante ou mais adotado.
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 flutuação que a participação de mercado seria capaz de capturar competindo com outras tecnologias e locais.
Baseado no “relatório do mercado solar flutuante” do Banco Central de desenvolvimento e Global Solar Atlas © World Bank Group (2019) e o banco © Global Water System Project (2011), a tabela a seguir apresenta como avaliar o real potencial para os próximos anos de geração fotovoltaica flutuante (a partir de 2020).
Esta tabela assume um rendimento médio (kWh / kWp) para todas as instalações de um determinado GCR (Taxa de cobertura do solo) ou WTC (taxa de cobertura de água/reservatórios) que pode alterar amplamente 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 necessário para instalações de montagem no solo) e 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 a 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 pico de watt, incluindo planta solar mais transformador e transmissão até o ponto de derivação. Embora esses números sejam provisórios, eles podem variar dependendo da localização do projeto, corpos flutuantes usados, profundidade de seu mecanismo de ancoragem e tamanho de todo o sistema. Sistemas flutuantes, bem como o de solo montado trazem um benefício de economias de escala. No momento, a instalação flutuante tem custos semelhantes aos do telhado em um determinado tamanho ou potência instalada.
O gráfico abaixo mostra as despesas de capital de um sistema flutuante dependendo das regiões e tamanhos (Valores em $/Wp).
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 seu homólogo em terra, o LCOE final (custo nivelado de eletricidade) seria comparado, considerado o maior rendimento de flutuante sistemas. O aumento esperado de rendimento ou taxa de desempenho está entre 5% a 10% em comparação com os painéis montados em terra.
A tabela a seguir elaborada pela SERIS mostra a comparação LCOE entre a mesma usina solar (50MWp) montada em solo e flutuante em três locais / regiões diferentes.
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 do sistema flutuante 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 desenvolvível, 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.
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 o mix de energia de certos países a serem mais limpos e com menor impacto ambiental, enquanto se beneficiam da superfície ociosa. Redução do uso de terras que poderia ser usado para o desenvolvimento imobiliário ou uso agrícola é a principal força da energia solar flutuante.
Quando todos esses benefícios são combinados com um rendimento de produção incremental de 5% a 10% em comparação com a montagem no solo, o LCOE para sistemas flutuantes corresponde a valores próximos a plantas solares de uso do solo e vento. Este fato faz essa solução se tornar muito mais atraente, especialmente considerado que essas aplicações ainda estão em um estágio muito inicial de sua implantação.
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