Hibridização de parques eólicos: uma oportunidade para o setor
07 março 2021Artigo de Bruno Silva e Miguel Marques e José Carlos Matos, membros da equipa de consultoria em energia eólica do INEGI
As fontes renováveis de energia são hoje uma peça inquestionável na definição da política energética que vai desde o planeamento macro, a nível nacional e comunitário, até ao nível doméstico.
Quando falamos da eletricidade, especificamente, é cada vez mais evidente a importância de explorar a diversidade, e eventual complementaridade, dos diferentes recursos renováveis. A diversidade plena assegura um equilíbrio, em termos de fontes, na produção de eletricidade que, por um lado, não acentua dependências de fontes específicas ou regiões geográficas e, por outro, maximiza a utilização das infraestruturas de transporte e distribuição sem, contudo, as sobrecarregar.
A visão vigente da operacionalização desta diversificação das fontes, atualmente, passa pela construção e operação de centrais específicas - o parque eólico, a central fotovoltaica, a pequena central hídrica. Porém, o reforço de potência de centrais eletroprodutoras, já existentes, com tecnologias complementares pode constituir uma oportunidade interessante, para o Sistema Elétrico Nacional e todos os seus stakeholders, desde a produção até ao consumo.
A energia solar e a energia eólica, em particular, têm características que, função dos ciclos intradiários e intranuais, potenciam a sua complementaridade, e podem ter vantagens em comparação à sua utilização individual e separada. Vejamos porquê.
O potencial energético eólico-fotovoltaico
Cada fonte energética renovável, seja eólica, solar, hídrica ou biomassa, tem um perfil de geração distinto. Existem variações ao longo do tempo, no espaço geográfico, e ao nível da disponibilidade e intensidade.
Existem, porém, locais que, fruto de condições meteorológicas próprias, permitem um maior grau de complementaridade.
Consideremos o exemplo de locais onde há mais vento à noite, do que em locais onde há mais vento durante o dia. Aqui, a complementaridade entre a produção eólica e fotovoltaica, permitiria potenciar a geração de energia com menor volatilidade durante 24 horas, aproveitando o máximo de cada recurso natural. Um maior grau de complementaridade permite uma maior suavização do perfil de geração de uma central electroprodutora híbrida.
A hibridização, aqui entendida como a combinação de diferentes recursos, não se limita ao potencial de suavização do perfil de geração da eletricidade. Permite também extrair mais valor de um ativo com um potencial limitado à produtividade associada à tecnologia da central: a própria infraestrutura de ligação à rede.
Capacidade, localização e ciclos intradiários são fatores chave
Os parques eólicos em Portugal apresentam uma produtividade média em torno das 2300 a 2400 horas equivalentes a plena carga. A ligação desses parques à rede tem, naturalmente, o mesmo grau de utilização, o que por sua vez significa que mais kWh entregues à rede por essa via resultam na utilização da capacidade ociosa deste ativo. Por outras palavras, se o custo de produção de eletricidade adicional exige investimento adicional, o custo com a entrega dessa eletricidade à rede é residual, já que essa entrega é feita através de um ativo existente. Algo que, em última análise, resulta na redução dos custos da eletricidade.
E porque se coloca esta questão aos parques eólicos?
De um ponto de vista conceptual, a hipótese de hibridização pode ser colocada para qualquer central eletroprodutora. Contudo, face à dimensão comportada pela energia eólica no Sistema Elétrico Nacional, a oportunidade é aqui mais óbvia. Recordemos que, em Portugal Continental, nos últimos 5 anos, a eletricidade de origem eólica correspondeu, em média, a 24% do consumo de eletricidade.
De um ponto de vista conceptual, a hipótese de hibridização pode ser colocada para qualquer central eletroprodutora. Contudo, face à dimensão comportada pela energia eólica no Sistema Elétrico Nacional, a oportunidade é aqui mais óbvia. Recordemos que, em Portugal Continental, nos últimos 5 anos, a eletricidade de origem eólica correspondeu, em média, a 24% do consumo de eletricidade.
Além do nível de intensidade das fontes eólica e solar, há, contudo, que verificar o grau de complementaridade entre as duas, projeto a projeto. Uma elevada simultaneidade dos recursos pode ter um impacto significativo ao nível da limitação imposta à central electroprodutora híbrida, assumindo a inexistência de armazenamento.
Casos práticos
Ilustra-se aqui com três casos conceptuais, baseados em casos concretos estudados pelo INEGI e aqui designados por exemplos "Norte”, "Centro” e "Sul”, com as designações correspondentes à localização geográfica aproximada, o maior ou menor grau de complementaridade.
Em ambos os casos, toma-se como ponto de partida a existência de parques eólicos para os três exemplos com capacidade geradora idêntica e fatores anuais de capacidade semelhantes1. Pressupõe-se para os dois casos a instalação adicional de uma capacidade geradora de base fotovoltaica idêntica à existente, a eólica, mantendo, de qualquer modo, a potência de ligação do centro electroprodutor. Assume-se ainda que a limitação de potência, a ocorrer, incide exclusivamente na potência adicional, isto é, na capacidade fotovoltaica. Refere-se, em todo o caso, que o projeto "Norte” está localizado num terreno com uma altitude bem mais elevada que os restantes projetos o que tem algumas implicações no que respeita à comparabilidade da intensidade do recurso solar nestes locais.
Em ambos os casos, toma-se como ponto de partida a existência de parques eólicos para os três exemplos com capacidade geradora idêntica e fatores anuais de capacidade semelhantes1. Pressupõe-se para os dois casos a instalação adicional de uma capacidade geradora de base fotovoltaica idêntica à existente, a eólica, mantendo, de qualquer modo, a potência de ligação do centro electroprodutor. Assume-se ainda que a limitação de potência, a ocorrer, incide exclusivamente na potência adicional, isto é, na capacidade fotovoltaica. Refere-se, em todo o caso, que o projeto "Norte” está localizado num terreno com uma altitude bem mais elevada que os restantes projetos o que tem algumas implicações no que respeita à comparabilidade da intensidade do recurso solar nestes locais.
A figura 2 apresenta a variação intradiária do output expectável das diferentes instalações, tanto em termos médios anuais como para os períodos de Verão e Inverno2. A variação é expressa separadamente para as tecnologias que compõem a central e para o seu conjunto, afetado das perdas por limitação.
Verifica-se no projeto Norte que, por um lado, o potencial energético do recurso eólico durante o dia é ligeiramente inferior ao que se verifica durante a noite e, por outro, o potencial durante o verão é significativamente inferior ao verificado no Inverno. Verifica-se que o recurso eólico encontra-se num contraciclo assinalável com o recurso solar, disponível apenas durante o dia e com maior intensidade no Verão.
Já para o projeto Centro observa-se que não só existe mais alguma intensidade do vento durante o período diurno como não há diferenças assinaláveis da intensidade do vento do Verão para o Inverno. Verifica-se, portanto, uma maior coincidência temporal em termos de intensidade dos recursos, o eólico e o solar, agravando o congestionamento do ponto de ligação em comparação com o caso anterior.
Observa-se no projeto Sul que a variabilidade intranual do recurso eólico não é significativamente vincada do Verão para o Inverno. Mas dado que a variabilidade intradiária deste recurso é assinalável, com bastante menos vento no período diurno, ficam reunidas condições muitos interessantes para a complementaridade com o recurso solar.Figura 2: ciclo diário do fator de capacidade médio os períodos Anual, Verão e Inverno de três centrais eletroprodutoras conceptuais, eólica e solar, de capacidade geradora idêntica e de uma central híbrida composta pelas duas em três regiões do país (cima na região Norte, meio na região Centro e baixo na região Sul)
O impato do grau de simultaneidade dos recursos para os dois projetos mostra-se na figura 3 que ilustra as perdas de produção de eletricidade por limitação nas instalações fotovoltaicas, expressas em termos do fator de capacidade relativo à potência fotovoltaica. Como seria expectável, as perdas por limitação têm maior expressão no projeto "Centro” sendo globalmente superiores em 50% às perdas expectáveis nos projetos "Norte” e "Sul”.
E a localização?
Figura 3: ciclo diário do das perdas por limitação da instalação electroprodutora fotovoltaica, em termos de fator de capacidade médio para os casos aqui apresentados.
E a localização?
Assim, concluímos que um dos principais inputs para a definição do ponto ótimo na exploração de uma central híbrida encontra-se no grau de complementaridade entre fatores de capacidade. Não se trata, contudo, do único aspeto relevante: a localização é também um aspeto chave, com a particularidade de se localizar nas proximidades do parque eólico, quando não na própria área dos parques.
Nesse sentido e para além de aspetos basilares como as características do terreno envolvente, a classificação do solo e os níveis de recurso existentes, deve ser necessário ter em consideração o impacto dos aerogeradores na geração de base fotovoltaica (o efeito do sombreamento) ou no que respeita à segurança das pessoas e equipamento (por exemplo ao nível da projeção de gelo acumulado nas pás para os painéis).
Figura 4: classificação do interesse de áreas na proximidade de um parque fotovoltaico.
Ciente disso, o INEGI recorre a uma metodologia baseada em ferramentas SIG (Sistema de Informação Geográfica) de avaliação dos terrenos envolventes que permitem equacionar os níveis de irradiação solar incidente, as características orográficas do terreno (orientação, inclinação, etc.) e as soluções construtivas para classificar e pré-selecionar as áreas de maior interesse, face aos critérios basilares, a par de uma comprovação local e avaliação de aspetos ambientais.
Ciente disso, o INEGI recorre a uma metodologia baseada em ferramentas SIG (Sistema de Informação Geográfica) de avaliação dos terrenos envolventes que permitem equacionar os níveis de irradiação solar incidente, as características orográficas do terreno (orientação, inclinação, etc.) e as soluções construtivas para classificar e pré-selecionar as áreas de maior interesse, face aos critérios basilares, a par de uma comprovação local e avaliação de aspetos ambientais.
Notas finais
A hibridização de parques eólicos, recorrendo a capacidade geradora fotovoltaica constitui uma oportunidade muito interessante para promotores que detenham os primeiros. Para a produtividade típica dos parques eólicos no país, é expectável a existência de uma capacidade ociosa significativa por parte das infraestruturas de ligação à rede, passível de utilização com fontes renováveis desde que dessincronizadas com a energia eólica.
Em todo o caso, a dimensão da central fotovoltaica agregada ao parque eólico pode ser otimizada em função do potencial e das suas caraterísticas, tendo em vista a maximização de produção de eletricidade para o ano inteiro ou apenas para um período específico do ano se, no balanço global da central híbrida, tal se revelar mais interessante. De facto, aferir os ciclos, tanto intradiários como interanuais, de produção de eletricidade a partir das diferentes fontes, e determinar maior o grau de dessincronização (i.e., menor o grau de simultaneidade) é crítico para otimizar o dimensionamento da central fotovoltaica.
Dada a redução dos graus de liberdade geográfica de um projeto de hibridização, aspetos relacionados com a própria área de ocupação dos equipamentos assume também particular relevância.
São, de qualquer modo, apenas mais alguns dos aspetos a considerar nos estudos de reforço de potência de parques eólicos com geração fotovoltaica. A potencial substituição de aerogeradores com máquinas mais eficientes, o denominado repowering, a conclusão de períodos com tarifas determinadas administrativamente, e entrada dos parques eólicos em mercado ou eventuais alterações profundas no perfil da procura de eletricidade – tudo pode conduzir a modificações profundas nos modelos de negócio.
O INEGI, cujas competências no aproveitamento das fontes renováveis para a produção de eletricidade são amplamente reconhecidas, está já a trabalhar com várias empresas no desenvolvimento de projetos de hibridização de parques eólicos com equipamentos fotovoltaicos, um mercado que se adivinha como promissor.
1 O fator de capacidade de qualquer sistema eletroprodutor é definido como sendo a eletricidade produzida durante determinado período dividida pela eletricidade produzida no mesmo período assumindo o funcionamento contínuo do gerador a plena carga.
2 Assume-se aqui Verão como os meses que vão de Abril a Setembro e Inverno os restantes.