Pesquisadora da Coppe propõe alternativa que reduz evaporação de açudes e aumenta o potencial de abastecimento de água no semiárido brasileiro

As usinas fotovoltaicas flutuantes podem ser uma opção vantajosa para preservar a capacidade hídrica dos açudes nas regiões mais áridas do país. Dependendo do percentual de superfície a ser coberta pelas usinas, o projeto, que teve a bacia Apodi-Mossoró (RN) como estudo de caso, poderia gerar 12 terawatts-hora (TWh) e evitar a evaporação de aproximadamente 124 Mm³ por ano. Essa é a conclusão de um estudo de viabilidade feito pela pesquisadora Mariana Padilha, em sua tese de doutorado defendida no Programa de Planejamento Energético (PPE) da Coppe/UFRJ.

A tese intitulada “Usinas fotovoltaicas flutuantes como alternativa para a geração de energia e redução da evaporação em açudes do semiárido brasileiro” foi defendida por Mariana este ano, sob a orientação dos professores Marcos Aurélio Freitas e David Castelo Branco, ambos do PPE. A alternativa proposta por Mariana reduz a perda de água com a evaporação, preservando assim açudes e bacias.

A pesquisadora estimou três cenários de cobertura das superfícies dos açudes com a instalação que foram considerados na tese: a área ocupada pelo volume morto (parte do volume que não é usada para captação, fica inativa.); 50% da área total de açudes; e 70% da área total de açudes. De acordo com o estudo, a energia potencial gerada pelas usinas fotovoltaicas flutuantes (UFVFs) na bacia Apodi-Mossoró poderia suprir 1.330.409 residências no cenário 1; 5.008.772 residências no cenário 2 e; 7.016.959 residências no cenário 3, considerando a média de consumo residencial do Rio Grande do Norte, 142,5 kWh/mês (segundo dados da EPE).

“Como o Rio Grande do Norte possui atualmente 1.236.063 unidades consumidoras residenciais, a instalação das usinas flutuantes apenas sobre o volume morto dos açudes da Bacia do Apodi-Mossoró já seria capaz de abastecer todas as residências do estado”, afirmou Mariana.

Segundo a Organização Mundial de Saúde, a necessidade diária de água por pessoa é de 50 a 100 litros para cobrir necessidades básicas do próprio consumo, além de higiene pessoal, limpeza doméstica. Considerando um consumo diário de 100 litros de água por pessoa, o potencial de água economizada pelas usinas anualmente poderia abastecer a população das cidades da bacia Apodi-Mossoró, de 211.916 pessoas, por até seis anos, dependendo do percentual de superfície a ser coberta.

As UFVFs também apresentam eficiência na geração de energia superior às usinas fotovoltaicas convencionais, devido à troca de calor das células fotovoltaicas com a água do reservatório. Assim, a mesma capacidade instalada de uma UFVF pode corresponder a uma quantidade de CO2 evitado maior do que aquela proporcionada por uma usina fotovoltaica sobre o solo (UFVS), já que pode substituir uma quantidade maior de energia proveniente de fonte fóssil. Além disso, Mariana explica que apesar de ambas as usinas não emitirem CO2 na geração de energia, há emissão deste gás na etapa de fabricação do módulo fotovoltaico, e como uma UFVF é mais eficiente do que uma UFVS, acaba emitindo menos por unidade de energia gerada sob uma análise de ciclo de vida.

“A tecnologia é nova, ainda na curva de aprendizado. Apesar do custo de implementação ser um pouco mais elevado, com as externalidades positivas a vantagem comparativa é grande”, afirma Mariana Padilha.

Estudo mostra vantagens ambientais e viabilidade econômica

A aluna da Coppe estimou a viabilidade econômica da instalação de usinas fotovoltaicas flutuantes na bacia Apodi-Mossoró, a evaporação evitada e o potencial de energia elétrica a ser gerada com a instalação das UFVF. Os resultados mostram que a instalação dessas usinas sobre os açudes preservaria, anualmente, 20,6 Mm³, 83,3 Mm³ e 124,3 Mm³ de água nos cenários 1, 2 e 3, respectivamente, e estima a geração anual de 2,3 TWh, 8,6 TWh e 12 TWh, respectivamente. Estes valores equivaleriam cerca de 3 vezes; 13 vezes e 20 vezes o volume da Lagoa Rodrigo de Freitas no Rio de Janeiro, respectivamente ou a 2,9%; 10,8% e 15% da geração anual de Itaipú (considerando uma geração anual de cerca de 80 TWh/ano).

Segundo Mariana, quando o volume de água dos reservatórios fica muito baixo, atingindo um nível crítico, o que é recorrente na história da região, a água precisa ser trazida de longe. “Os prefeitos começam a realizar contratações de emergência. Em alguns casos por valores acima dos praticados pelo mercado e algumas feitas inclusive sem licitação. Quando os açudes atingem o nível crítico, é necessário encontrar caminhos para aumentar a resiliência da população do Semiárido. A solução pode ser local com a adoção de mecanismos de redução de evaporação” afirma.

Em sua pesquisa, Mariana avaliou a viabilidade econômica de sistemas fotovoltaicos flutuantes em açudes e barragens no semiárido brasileiro, concluindo que esta aplicação poderia acarretar menores gastos com energia e abastecimento de água para a população, especialmente em áreas remotas onde são utilizados caminhões-pipa. Para ilustrar, a pesquisadora mostra que no município Quixeramobim (CE), o custo anual evitado com a compra de água proveniente de caminhão-pipa poderia variar de US$ 59 mil a US$ 67 mil para 1 MWp de UFVF instalado, com a cobertura do açude variando de 5% a 70%. O cálculo tem como base o valor de US$ 4,16 por m3, cerca de R$ 15,84 por m3, praticado em janeiro de 2020 neste município. Mariana ressalta que o valor varia entre os municípios ou mesmo estados e de acordo com o grau de necessidade. No Rio Grande do Norte, por exemplo, os caminhões-pipas emergenciais chegaram a cobrar US$ 17,33 por m3 de água.

Quanto ao custo médio de instalação das UFVFs, no Brasil, como um todo, o estudo estimou uma variação de US$ 1.158 por kWp, a US$ 1.619 kWp. De acordo com a pesquisadora da Coppe, a comparação do custo das UFVFs com outras tecnologias de redução de evaporação, nivelados pelo custo por área e pela vida-útil, pode ser utilizado como indicador de viabilidade econômica quando se observa a questão hídrica. Mariana explica que, neste caso, o custo da UFVF fica entre US$ 3,67 e US$ 7,70 por m3, a cada ano de vida útil. Já o preço simulado da energia gerada é de US$ 48,80/MWh.

“Uma instalação da UFVF mostrou-se economicamente viável, mesmo para o percentual de cobertura de 5% do reservatório, onde o custo da água não evaporada é de US$ 5,39 por m³, ou seja, uma redução de quase 70% em relação ao custo da água proveniente dos caminhões-pipa emergenciais”, afirma.

De acordo com a pesquisadora, a energia gerada pelo sistema fotovoltaico flutuante pode ser usada para vários fins, como bombeamento de água para sistemas de irrigação dedicados à produção de alimentos, alimentação de sistemas de dessalinização de água no caso de reservatórios de água salobra, inserção de energia na rede e geração de crédito de energia para a prefeitura usar em despesas públicas.

Evaporação de água de açudes da bacia chega a 45,6% ao ano

A grande vantagem da aplicação desta tecnologia é utilizar um espelho d´água, como açudes, lagos de área de mineração, reservatórios de hidrelétricas. Anualmente, 45,6% da capacidade volumétrica dos açudes da bacia Apodi-Mossoró é evaporada.

“A instalação de sistemas fotovoltaicas flutuantes nestes reservatórios interfere em algumas variáveis como a incidência de radiação sobre a superfície, velocidade do vento temperatura da superfície, produzindo condições favoráveis à redução da evaporação. A instalação dos painéis fotovoltaicos sobre espelhos d´água possibilita ainda a redução da temperatura do painel pela troca térmica. O painel quando muito aquecido perde eficiência”, acrescenta o professor David Castelo Branco.

Segundo o professor, em área degradada, como lagos de rejeitos de mineração, é mais fácil usar uma área maior do espelho d´água. “Onde são desenvolvidas outras atividades, por exemplo turismo e pesca, seria utilizada uma área menor”, ressalta.

De acordo com o professor Marcos Freitas, o Brasil tem 40 mil km² de lagos de hidrelétricas, uma área do tamanho do estado do Rio de Janeiro. O maior desses reservatórios, o de Sobradinho, é três vezes maior que o município do Rio de Janeiro e perde 200 m³ de água por segundo, em evaporação. Isso supera o consumo de água das regiões metropolitanas de Rio de Janeiro e São Paulo.

“A carga máxima projetada pela transposição do rio São Francisco seria 105 m³/s (na prática 65), passando por vários açudes, que se fossem recobertos, não precisariam ser mantidos em volume máximo, o que também reduziria as perdas com evaporação. Com o uso das usinas fotovoltaicas flutuantes, a disponibilidade hídrica da região poderia ser triplicada”, explica Marcos Freitas, coordenador do Instituto Virtual Internacional de Mudanças Globais (IVIG), da Coppe.

Benefícios para uma região com 28 milhões de brasileiros

O semiárido representa 13,2% do território nacional, abrangendo 1.262 municípios em uma área equivalente a França e Espanha somadas, que supera um milhão de km², e reúne 28 milhões de pessoas. Em 2013, o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) sinalizou até o final do século XXI, o aumento da temperatura de 1 a 3° C no cenário otimista, e de 2 a 4° C no cenário pessimista, para o semiárido brasileiro e consequente aumento da evaporação nas massas d’água.

De acordo com a pesquisadora da Coppe, a região sofreu um grave déficit hídrico nos últimos seis anos, com um balanço negativo que afeta diretamente o volume das barragens e os açudes da região. Além disso, a redução do nível de água nos reservatórios devido ao alto índice de evaporação nos reservatórios provoca um aumento da salinidade e piora a qualidade da água destinada ao consumo humano.

Países como Japão, Inglaterra, Austrália, Coreia do Sul, Índia e Estados Unidos estão implantando UFVFs em reservatórios. No Brasil, três sistemas fotovoltaicos flutuantes foram instalados nos últimos anos: um de 50 kW de capacidade da Companhia de Energia de São Paulo (CESP) em Rosana (SP); outro de capacidade de 1 MW, de propriedade da Companhia Hidroelétrica do São Francisco (Chesf), no reservatório de Sobradinho (BA); e um de 5 MW no reservatório de Balbina (AM), também de propriedade da Chesf, a primeira usina solar flutuante em reservatório de hidrelétrica do mundo.