Usinas solares flutuantes: estado da arte no mundo e potencial no Brasil

As usinas solares fotovoltaicas flutuantes são uma das tendências crescentes na geração fotovoltaica. Em 2018, a capacidade instalada acumulada de usinas solares flutuantes ultrapassou a marca de 1 GW e analistas projetam um crescimento ainda mais significativo nos próximos anos.

A principal vantagem das usinas solares flutuantes é o fato de não necessitarem de um novo terreno para acomodar os módulos fotovoltaicos, tornando este conceito especialmente atraente para áreas em que a terra é escassa e a área de água está disponível.

Exemplos são ilhas como a Cingapura, país que mais tem investido no desenvolvimento da expertise nesta tecnologia, e países com grandes barragens hidrelétricas como China, Japão ou Coréia. A presença de infraestrutura elétrica em barragens e a possibilidade de injetar energia in-situ na rede diretamente é vista como especialmente atraente.

Os defensores da tecnologia costumam citar uma série de benefícios adicionais, incluindo a redução de perdas por evaporação pela cobertura da água com módulos fotovoltaicos e a melhora da qualidade da água pela redução do crescimento excessivo de algas.

Embora haja evidências de ambos os efeitos, estudos sobre tais instalações fotovoltaicas ainda são escassos. Outra vantagem frequentemente mencionada de usinas fotovoltaicas flutuantes é o efeito de resfriamento da água sobre os módulos solares, com alguns estudos alegando melhorias de desempenho de até 10% em comparação com sistemas fotovoltaicos terrestres.

No entanto, um recente estudo mostra que dependendo da velocidade do vento, um gerador fotovoltaico sobre um telhado elevado pode operar em temperatura inferior a outro idêntico sobre a água, concluindo que a presença de água é um fator menor ou indireto no equilíbrio térmico de instalações fotovoltaicas flutuantes.

A exposição ao vento e a altura do módulo são os elementos diferenciadores para o resfriamento de um gerador fotovoltaico, pelo menos em áreas com pequenas velocidades de vento.

Por outro lado, em locais com velocidades de vento elevadas, por questões de segurança os módulos precisam ser instalados com inclinações inferiores à inclinação ideal necessária para otimizar a incidência solar e um estudo recente mostra que o ganho obtido pelo resfriamento proporcionado pela proximidade da água é totalmente anulado pela perda em incidência de radiação solar resultante de uma menor inclinação necessária para que o arranjo de módulos fotovoltaicos atenda às questões estruturais impostas pelas velocidades do vento incidentes no local.

Os efeitos da poeira são também frequentemente citados como muito menores em instalações flutuantes quando comparadas a instalações terrestres, especialmente quando uma combinação de poucas chuvas e entorno com alto potencial de poeira resultam em grandes perdas de desempenho.

Outras questões, como altos níveis de umidade, durabilidade e capacidade de resistência da instalação aos eventos climáticos extremos também precisam ser levadas em consideração ao projetar e instalar usinas solares flutuantes.

As usinas fotovoltaicas flutuantes offshore são um passo futuro ainda distante mas já sob investigação no aproveitamento da energia solar. Não existe por enquanto nenhuma instalação fotovoltaica offshore e várias incógnitas ainda precisam ser resolvidas, o que é um estímulo à pesquisa.

Estruturas flutuantes necessitarão ser robustas o suficiente para resistir às ondas; esta resposta é altamente dependente do projeto da estrutura flutuante e terá algum efeito sobre a insolação incidente. A maioria das instalações fotovoltaicas flutuantes até agora foi projetada e instalada em lagos, represas ou reservatórios.

As questões ambientais e climáticas nessas áreas não são tão graves quanto as encontradas em ambientes marinhos, tornando o projeto de tais sistemas menos crítico. As instalações offshore precisarão atender à exposição constante aos efeitos da corrosão do sal e às forças mecânicas de uma combinação de vento, ondas e marés.

Além disso, o movimento da estrutura flutuante offshore em resposta às ondas que chegam pode ter um efeito na isolação elétrica e no cabeamento do sistema e as pesquisas realizadas até agora para quantificar esse efeito são escassas.

A experiência acumulada com usinas fotovoltaicas flutuantes ainda é limitada e a percepção de riscos associados a esta tecnologia é portanto ainda muito grande em comparação aos geradores fotovoltaicos em solo e em telhados, que já acumulam uma capacidade instalada próxima de 1.000 GWp.

Entre as incertezas associadas com usinas fotovoltaicas flutuantes estão os custos no ciclo de vida, custos de O&M, o potencial impacto ambiental no médio e longo prazo, a garantia de desempenho e operação de longo prazo dos módulos fotovoltaicos e demais componentes críticos. Aspectos técnicos incluem o projeto, construção e operação destas instalações sobre corpos d’água, segurança elétrica e ancoramento e mão de obra qualificada para realizar as instalações.

O custo de uma usina solar flutuante depende de muitos fatores que incluem a estrutura dos flutuadores, o sistema de ancoragem, o cabeamento (lembrando que estamos falando de sistemas em corrente contínua operando a 1500 V), as cargas de vento, a distância à margem e a qualidade da água.

Segundo levantamento recente do SERIS – Solar Energy Research Institute of Singapore para o Banco Mundial, projetos recentes realizados na Tailândia, Índia, França, China e Japão variaram em custo entre 0,48 e 1,10 USD/Wp.

O potencial, no entanto, é gigante e pode ser bem exemplificado pelo parque hidrelétrico brasileiro. A usina hidrelétrica de Itaipu, com potência instalada de 14 GW e cuja geração anual recorde é da ordem de 100 TWh/ano, responde por cerca de 20% do consumo de energia elétrica do Brasil.

Cobrindo integralmente o Lago de Itaipu com um gigantesco gerador solar fotovoltaico flutuante de 1.350 km2 e cerca de 270 GWp de potência, seria possível gerar anualmente cerca de 350 TWh de energia elétrica por ano, atendendo a mais de 70% do consumo anual de energia elétrica de nosso país!

Somando as áreas inundadas por todas as usinas hidrelétricas em operação no Brasil, chega-se a uma superfície de 40.000 km2, onde se poderia acomodar cerca de 8.000 GWp em geradores fotovoltaicos.

Passados mais de 67 anos desde a fabricação da primeira célula solar fotovoltaica nos Bell Laboratories em 1954, o mundo deve comemorar a capacidade acumulada de geradores fotovoltaicos de 1.000 GWp ao longo de 2022. Neste contexto, mesmo que se ocupem apenas pequenas frações das áreas inundadas pelos reservatórios das usinas hidrelétricas, entende-se facilmente o recente interesse pelas usinas solares flutuantes.

Os dois volumes do estudo “Where Sun Meets Water – Floating Solar Market Report” realizado pelo SERIS para o Banco Mundial e ilustrados nas figuras abaixo podem ser obtidos em https://www.esmap.org/where_sun_meets_water_floating_solar_market_report.

Na primeira parte do estudo se encontram informações mais detalhadas sobre a argumentação a favor das usinas fotovoltaicas flutuantes, bem como uma descrição sobre a tecnologia, o mercado mundial, considerações sobre políticas públicas e estruturação de projetos, custos e fornecedores.

A segunda parte do estudo é mais técnica e inclui a identificação dos melhores locais para uma instalação flutuante, avaliação de desempenho, considerações importantes de projeto, financiamento e questões legais, aspectos ambientais e sociais, de EPC, comissionamento, operação e manutenção.

O uso de módulos bifaciais é também endereçado no estudo, com a ressalva de que a refletividade da água (albedo) é baixa, da ordem de 5 a 7%, não levando a ganhos expressivos de geração. No entanto, módulos bifaciais são via de regra módulos vidro-vidro, mais resistentes à entrada de umidade do que os módulos monofaciais típicos com o “backsheet” branco na face posterior, podendo levar a uma maior vida útil da instalação sobre a água.

Sobre o autor: Ricardo Ruther é professor titular da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), doutorado em Electrical and Electronic Engineering - The University of Western Australia (UWA-1995) e pós-doutorado em Sistemas Solares Fotovoltaicos realizado no Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems na Alemanha (Fraunhofer ISE-1996) e na The University of Western Australia (UWA-2011). Atualmente é coordenador do Laboratório FOTOVOLTAICA/UFSC (Grupo de Pesquisa Estratégica em Energia Solar da Universidade Federal de Santa Catarina, cadastrado no Diretório de Grupos de Pesquisa do CNPq).