Potencialidades da Integração em Larga Escala de Energia Solar (Fotovoltaica e Térmica) para Geração Centralizada de Eletricidade no Brasil

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1 Potencialidades da Integração em Larga Escala de Energia Solar (Fotovoltaica e Térmica) para Geração Centralizada de Eletricidade no Brasil Prof. Roberto Schaeffer Julho de 212

2 Esta apresentação está baseada em um estudo que visou... Descrever e analisar o potencial solar brasileiro Analisar o estado da arte da geração solar centralizada (tecnologias) Identificar as principais políticas de incentivo à energia solar no mundo Avaliar o potencial de aproveitamento da energia solar para geração centralizada no Brasil considerando duas tecnologias: Concentradores (CSP) Fotovoltaico (FV) Estimar impactos no Sistema Interligado Nacional Propor políticas de incentivo à energia solar centralizada no Brasil

3 Ferramentas utilizadas SAM System Advisor Model Simulação de plantas solares GST/SWERA Geospatial Toolkit Georreferenciamento MESSAGE (PPE/COPPE versão 1 Ano 212) Modelo de otimização da expansão e operação integrada do sistema energético com base em minimização de custos Premissas dos sistemas PV e CSP usados no MESSAGE (dados fornecidos pelo SAM): custos de investimento de cada planta sazonalidade da produção fator de capacidade produção anual

4 Potencial técnico Casos estudados

5 Potencial Técnico de Geração Elétrica com CSP no Brasil f (irradiação DNI, fatores exclusão do uso terra, tecnologia) 2. kwh/m2/ano ou 6 kwh/m2/dia Fator de capacidade = f(armazenamento calor, hibridização) 5% da superfície com DNI apropriado

6 Irradiação direta normal (DNI) total anual (kwh/m2/ano) Fonte: VIANA et al., 211

7 Superfície com potencial técnico CSP km2 (11%) km2 (6%) km2 (6%) 87 km2 (1%) 1.75 km2 (2%) 2.96 km2 (21%) TOTAL: 97.7 km2

8 5% da superfície com DNI apropriado Potencial elétrico a partir de CSP no Brasil (TWhe/ano): Potencia média anual CSP (GWe) Estado TWhe/ano Pot. inf. (GWe) Pot. sup (GWe) Bahia Piauí Total Nordeste (NE) Mato Grosso do Sul Total Sul (S) Paraná São Paulo Minas Gerais Total Cento- Oeste/ Sul-Este (CO/SE) Fonte: Elaboração Total Brasil própria

9 Seleção dos locais para os casos de estudo Linhas de Transmissão Recurso Hídrico Cidades e áreas protegidas Rio São Francisco Rio Paramirim Linha de transmissão 5 kv Bom Jesus de Lapa Linha de transmissão 23 kv Área Protegida Rio Santo Onofre

10 Estudos de caso CSP 1. Bom Jesus da Lapa 2. Campo Grande

11 Dados Climatológicos Informação da localidade Cidade Estado Bom Jesus da Lapa Campo Grande BahiaMato Grosso do Sul Elevação Latitude Longitude Irradiação direta normal (DNI) 458 m 556 m -13,27-2,47-43,42-54, , kwh/m2.ano kwh/m2.ano Irradiação global horizontal 2.143,2 kwh/m2.ano 1.927,8 kwh/m2.ano Temperatura de bulbo seco 26,1 C 24 C Velocidade do vento 1,6 m/s 3,9 m/s

12 Irradiação direta normal de projeto Simples Fluido de transferência de calor Coletor Receptor Bloco de potência Potência nominal Potência de projeto Perdas parasíticas Eficiência do ciclo termodinamico Pressão de operação da caldeira de back-up Eficiência LHV da caldeira de backup Consumo de água - Tipo de condensador Temperatura ambiente de projeto Horas de armazenamento Fluido de armazenamento Modo de despacho Fração máxima de vapor proveniente da caldeira na entrada da turbina (em períodos de radiação insuficiente) h - Bom Jesus da Lapa: 75 W/m² Campo Grande: 688,8 W/m² c/ Hibridização c/ Armazenamento Therminol VP-1 Solargenix SGX-1 Schott PRT7 1 MWe 111 Mwe 1% (valor padrão do SAM) 37,7% BJL: 1 bar CG: 8 bar BJL: 85,7% CG: 65% BJL:,1 m³/mwh CG: 3, a 4, m³/mwh BLJ: Torre seca CG: Torre úmida BLJ: 26 C CG: 17 C h 6h Sal Fundido Operação suplementar 25% - Avançada Hitec XL Schott PRT7 Vacuum - 12h Hitec XL -

13 Parâmetros financeiros: plantas CSP PARÂMETROS FINANCEIROS CENÁRIO BASE Período de análise Inflação Taxa real de desconto Tributos Seguro Valor residual ALTERNATIVO 3 anos % 1% 34% 27%,5% do custo total instalado % do custo total instalado Prazo de amortização * 16 anos Taxa de juros * 7,4% a.a. Fração de dívida TIR Depreciação * 7% 15% (a.a.) Linear 1 anos MACRS 5 anos

14 Dados de entrada de custos: plantas CSP CSP simples CSP armazenamento calor 6h CSP hibridização Obras de melhoria do sitio Campo solar 25 USD/m² 295 USD/m² Fluido de transferência de calor 9 USD/m² Armazenamento térmico Sistema de hibridização Bloco de potência USD/kWht 8 USD/kWht USD/kWe Custo fixo por potência Custo variável por geração Custo do combustível de hibridização 26 USD/m² 85 USD/m² USD/kWht 7 USD/kWht 42 USD/kWe USD/kWe 94 USD/kWe 893 USD/kWe 2% 11% dos custos diretos Contingencia EPC e custos do proprietário Terra CSP planta avançada 1% Em BJL: 1. USD/ha e em CG: 3.1 USD/ha BJL: 132 USD/kW-ano (base) e 7 USD/kW-ano (alternativo) CG: 139 USD/kW-ano (base) e 7 USD/kW-ano (alternativo) USD/MMBTU 3 USD/MWh BJL: GN a 8, USD/MMBTU CG: Bagaço a 1,5 USD/MMBTU; 7 USD/kWano, USD/MMBTU

15 Resultados de operação (SAM): - plantas CSP Bom Jesus da Lapa (cenário alternativo) Simples c/ Hibridização c/ Armazenamento Avançada 1, ,6 23,3%, ,6 41,3% 2, ,85 41,3% 2, ,45 6,8% Custos diretos de capital [milhões US$] Custos indiretos de capital [milhões US$] Total de custos de capital [milhões US$] Custo total instalado por potência [US$/kW] MS Produção anual [GWh] LCOE [USS$ c/kwh] Fator de capacidade Campo Grande (cenário alternativo) Simples c/ Hibridização c/ Armazenamento Avançada 1, ,6 18,8%, ,72 37,1% 1, ,54 33,1% 2, ,1 54,1% Custos diretos de capital [milhões US$] Custos indiretos de capital [milhões US$] Total de custos de capital [milhões US$] Custo total instalado por potência [US$/kW] MS Produção anual [GWh] LCOE [US$ c/kwh] Fator de capacidade

16 Resultados de operação (SAM): - plantas CSP Plantas híbridas Base,8 MS 326 Produção anual [GWh] 39,86 LCOE [USS$ c/kwh] 37,3% Fator de capacidade Parcela da produção anual proveniente: 43% do campo solar 57% da caldeira CG BJL Alternativo, ,72 37,1% Base, ,15 38,7% Alternativo, ,6 41,3% 43% 57% 42% 58% 47% 53%

17 BJL Operação Simples Híbrida Armazenamento 6 horas Avançada 12 horas

18 CG Operação Simples Híbrida Armazenamento 6 horas Avançada 12 horas

19 Potencial Casos estudados

20 Referências (como ARVIZU et al, 211) consideram valor mínimo de 1 kwh(ano)/kw para viabilidade econômica, o que indica imenso potencial para o Brasil Nossas simulações resultaram em valores de 15 kwh/kw, em áreas com irradiação de aproximadamente 5,4 kwh/m2/dia ou mais de 1,5 milhões de km2

21 Sistemas fotovoltaicos: Aproveitam irradiação direta e difusa Pequena dependência de recursos hídricos Modularidade (menores ganhos de escala) Premissas utilizadas: Área de interesse: proximidade a rede básica 23 kv (faixa de 5 km) Potencial: 1,67% da área de interesse Densidade: 5 MW/km2

22 Extensão 23 kv: 432 km Área de interesse: 1,67% x 432 km x 1 km = 7214 km2 Potencial: 36 GW

23 Simulação para sistemas NNE e S-SE-CO Usina padrão: 5 MW RECIFE: Posição central no sistema de transmissão NE RIO DE JANEIRO: Posição extrema no sistema de transmissão S/SE

24 Jan-Mar Abr-Jun Jul-Set Out-Dez 24-6h % % % 1% 6-1h 3% 31% 31% 34% 1h - 18h 7% 68% 69% 65% 18h - 21h % % % % 21h - 24h % % % % RECIFE Jan-Mar Abr-Jun Jul-Set Out-Dez 24-6h % % % % 6-1h 23% 23% 23% 27% 1h - 18h 77% 77% 77% 72% 18h - 21h % % % % 21h - 24h % % % % RIO DE JANEIRO

25 ITEM Preçomódulo(USD/kWDC) Preçoinversor (USD/kWAC) Eficiênciadomódulo(%) Custoimplantação(USD/kW) 22 1,95,29 13, ,23,18 19, ,85,13 21,1 39 Custo nivelado da energia S-SE-CO N-NE 22,337 23,274 24,24 Incentivo,32,237,25 Normal,34,276,243 Incentivo,299,239,27 Normal Custos dos equipamentos principais (painéis e inversores) Eficiência Custo implantação Custo nivelado (USD/kWh)

26 Estudos de caso

27 Interconexão do Sistema Elétrico Nacional no MESSAGE

28 Cenários de integração Solar/SIN Cenário Base: Potência (GW) GW Bagaço Carvão Gás Óleo Comb Hidro Diesel Nuclear Solar Eólica Total Cenário Base: Energia (TWh) TWh Bagaço Carvão Gás Óleo Comb Hidro Diesel Nuclear Solar Eólica Total

29 Cenário alternativo Capacidade Acumulada de Energia Solar no Brasil (MW) CSP 12h CSP 6h FV CSP Híbrido CSP Simples Total Variação de Potência em Relação ao Cenário Referência (MW) Bagaço Carvão Gás Óleo Comb Hidro Nuclear Solar Eólica Total

30 Sazonalidade Horária Sazonalidade Mensal

31 Cenário alternativo Variação Custo de Investimento / Cenário Base (Mi US$) Gas Hidro CSP 12h CSP 6h FV CSP Hib CSP Simples Custo Total Total Variação custo total no ano / Cenário Base (Mi US$) Gas Hidro CSP 12h CSP 6h FV CSP Hib CSP Simples Total

32 INSERÇÃO SOMENTE DAS PLANTAS CSP Variações em relação ao cenário base - Brasil Variação Potência (MW) MW Gás Hidro Solar Eólica Total Variação Energia (GWh) GWh Gás Hidro Solar Eólica Variação Transmissão (GWh) GWh S2 --> S R --> S R --> S Total

33 INSERÇÃO SOMENTE DAS PLANTAS CSP Variações em relação ao cenário base por regiões Variação Potência N/NE (S2) MW Gás Hidro Solar Eólica Variação Potência S/SE/CO (S1) Total MW Gás Hidro Variação Transmissão (GWh) GWh S2 --> S R --> S R --> S Solar Eólica Total

34 INSERÇÃO SOMENTE DAS PLANTAS PV Variações em relação ao cenário base - Brasil Variação Potência (MW) Variação Energia (GWh) Gás Hidro Solar Eólica Total Gás Hidro Solar Eólica Total Variação Transmissão (GWh) S2 --> S1 R --> S1 R --> S

35 INSERÇÃO SOMENTE DAS PLANTAS PV Variações em relação ao cenário base por regiões Variação Potência N/NE (S2) MW Gás Hidro Solar Eólica Variação Potência S/SE/CO (S1) Total MW Gás Hidro -35 Variação Transmissão (GWh) S2 --> S1 R --> S1 R --> S Solar Eólica Total

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37 Experiências em geração descentralizada: PRODEEM, Luz no Campo, Luz para Todos Não inclusão da energia solar no PROINFA PL 2952/211: Propõe o Programa de Incentivo ao Aproveitamento da Energia Solar PROSOLAR Obrigação de aquisição, por concessionárias, da eletricidade gerada por central fotovoltaica de até 3 MW conectada à rede de distribuição; Redução de 1% das tarifas dos usos dos sistemas de transmissão e distribuição, por 1 anos; Permissão à União da concessão de incentivos tais como redução do Imposto sobre Produtos Industrializados IPI, incidente sobre conversores, painéis fotovoltaicos e equipamentos complementares, até 216; Realização de leilões específicos para energia solar fotovoltaica e definição de cotas para energia solar nos leilões do setor elétrico; Estabelecimento de metas nacionais de geração, iguais a 1% da matriz elétrica brasileira para os próximos 3 anos e de 3% em 5 anos.

38 Pesquisa e Desenvolvimento: Possibilidade de utilização de recursos financeiros regulados pela ANEEL Chamada Pública 13/211: PROJETO ESTRATÉGICO: ARRANJOS TÉCNICOS E COMERCIAIS PARA INSERÇÃODA GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA NA MATRIZ ENERGÉTICA BRASILEIRA

39 Linhas de P&D específicas: Armazenamento de calor Transferência de tecnologias (coletores, inversores, módulos fotovoltaicos) Incentivos à construção de unidades de demonstração Realização de leilões específicos, com estabelecimento de condições para análise de projetos e precificação (similar à experiência com energia eólica) Inclusive permissão para participação de usinas CSP híbridas, com participação decrescente da fração não solar Prêmio para térmicas a gás, conforme fração solar, em leilões A-3

40 Obrigado Roberto Schaeffer Programa de Planejamento Energetico PPE / COPPE / UFRJ