Centrale fotovoltaice plutitoare, marea provocare pentru energiile regenerabile. Studiu de caz: CHE Rusănești

Context

Încălzirea globală și schimbările climatice reprezintă probleme tot mai presante la nivel mondial. Temperatura medie globală crește cu 0,18˚C la fiecare 10 ani [1], iar, în ultmii 50 de ani, numărul dezastrelor cauzate de fenomene meteorologice extrame a crescut de 5 ori [2]. Principalele cauze ale acestor fenomene sunt emisiile de gaze cu efect de seră, provocate de activitatea industrială și insuficiența spațiilor verzi care să limiteze aceste emisii. Prin urmare, o atenție deosebită este acordată, în prezent, tranziției sectorului energetic de la utilizarea combustibililor fosili la utilizarea surselor curate de energie: energie solară, eoliană, hidraulică, nucleară, geotermală etc.

Parcuri fotovoltaice plutitoare. Aspecte generale

Energia solară reprezintă cea mai răspândită sursă regenerabilă de energie, iar tehnologia panourilor fotovoltaice a evoluat accelerat. Între 2010 și 2021, LCOE-ul asociat acestei tehnologii s-a redus cu 88%, iar costul de instalare s-a redus cu 81% [3]. Simultan cu dezvoltarea continuă a parcurilor fotovoltaice montate pe sol, care au depășit, la nivel mondial, 1 TW putere instalată, instalațiile fotovoltaice plutitoare încep să ia avânt, datorită avantajelor existente în comparație cu instalațiile montate pe sol. Prima instalație fotovoltaică plutitoare, de 20 kW, a fost construită în anul 2007, în Japonia [4], iar, în prezent, capacitatea instalată în această tehnologie este de circa 3 GW.  În continuare, sunt prezentate principalele avantaje ale parcurilor fotovoltaice flotante în comparație cu cele montate pe sol.

Evitarea ocupării terenurilor întinse– Populația este într-o continuă creștere, iar prețul terenurilor urmărește aceeași evoluție. Prin urmare, având în vedere suprafețele întinse de pământ necesare instalării parcurilor fotovoltaice (aproximativ 1,5 ha/MW [5]), este de preferat ca acestea să fie montate pe suprafețele de apă avute la dispoziție și nu pe terenuri care ar putea fi utilizate pentru agricultură/ dezvoltarea comunităților/ plantarea copacilor care să absoarbă emisiile de dioxid de carbon etc.

• Îmbunătățirea performanțelor de funcționare a panourilor– Temperatura modulelor fotovoltaice reprezintă factorul care influențează cel mai mult randamentul acestora. Astfel, temperatura panourilor la suprafața apei este mai redusă decât cea a panourilor montate pe sol, ceea ce determincă un randament mai ridicat al panourilor flotante. De asemenea, luciul apei reflectă razele de soare pe suprafața modulelor, crescând astfel cantitatea de energie solară convertită în energie electrică.
• Posibilitatea implementării unor centrale hibride– Centralele fotovoltaice plutitoare pot funcționa în complementaritate cu hidrocentrale sau cu centrale eoliene off-shore. În acest caz, beneficiile constau în reducerea costului de capital pentru investiție comparativ cu dezvoltarea separată a centralelor și în optimizarea funcționării centralei hibride, atât din punct de vedere tehnic (se reduc dezechilibrele induse în rețea și crește siguranța în alimentare), cât și economic (crește predictibilitatea producției).
• Reducerea cantității de apă evaporată în atmosferă– Modulele fotovoltaice umbresc suprafața apei și reduc fenomenul de evaporare. Se estimează că un parc fotovoltaic plutitor de 1 MW poate evita evaporarea a 7.000 – 10.000 m³ de apă anual [6]. În perspectiva schimbărilor climatice și a creșterii temperaturii medii globale, asigurarea resurselor de apă va fi un aspect care va conta din ce în ce mai mult în dezvoltarea proiectelor. Mai mult, în cazul parcurilor fotovoltaice montate pe lacurile de acumulare unde sunt prevăzute hidrocentrale, reducerea evaporării apei se traduce într-o producție sporită de energie electrică. În cadrul unui studiu al Centrului Comun de Cercetare al Comisiei Europene, a fost analizată montarea panourilor fotovoltaice plutitoare pe lacurile de acumulare ale hidrocentralelor din Africa. Rezultatele studiului au demonstrat că acoperirea cu panouri fotovoltaice a 1% din suprafața lacurilor de acumulare ar crește energia electrică generată anual de hidrocentrale cu 58% .

În ceea ce privește România, avem un potențial mare de a dezvolta parcuri fotovoltaice plutitoare, datorită numeroaselor lacuri de pe teritoriul țării, care totalizează o suprafață de 2.620 km² [8]. Astfel, considerând instalarea panourilor flotante pe o suprafață de 1% din suprafața totală a lacurilor, potențialul României ar fi de aproximativ 2,6 GW. Prin urmare, studiul realizat de HENRO referitor la un sistem fotovoltaic plutitor hibrid își propune să deschidă calea către noi cercetări în scopul valorificării acestui potențial.

Studiu de caz: CHE Rusănești

Lucrarea în discuție are ca scop analiza și dimensionarea unui sistem hibrid alcătuit dintr-un parc fotovoltaic plutitor, o hidrocentrală și un acumulator. Cele două din urmă au rolul de a compensa dezechilibrele induse de funcționarea puternic variabilă a parcului fotovoltaic, astfel încât profilul de generare al centrlei hibride, în ansamblu, să fie unul predictibil, cu abateri cât mai mici de la profilul de generare estimat. Această soluție a fost propusă ca urmare a provocărilor tot mai mari cu care operatorii de rețea se confruntă odată cu “valurile regenerabilelor”. Funcționarea intens variabilă a surselor regenerabile ridică probleme legate de nivelul de tensiune, stabilitatea frecvenței, circulația inversă a puterilor etc., drept pentru care, toate proiectele de surse regenerabile, care au potențialul de a induce dezechilibre în rețea, ar trebui să fie prevăzute cu capacități de flexibilizare a producției, care, în general, sunt reprezentate de acumulatori.

Pentru a evidenția intensitatea acestor dezechilibre induse în rețea, în figura alăturată este prezentată o comparație între profilul teoretic de generare (cu verde) al instalației flotante analizate și cel real (cu roșu), pentru o zi de iunie, cu măsurări cu rată de raportare de 1 cadru/s. Astfel, este evidentă necesitatea compensării acestor dezechilibre, pentru a ameliora efectele negative pe care le au asupra funcționării sistemului electroenergetic.

Parcul fotovoltaic propus are o capacitate de 5 MW și este situat în vecinătatea hidrocentralei Rusănești, de pe cursul inferior al Oltului. Această hidrocentrală, dotată cu 4 hidroagregate de tip Bulb reversibil (53 MW în total), a fost aleasă datorită capacității sale foarte bune de a-și modifica rapid parametrii de funcționare (aproximativ 0,5 MW/s). Astfel, hidrocentrala intervine rapid și mobilizează putere la creștere sau la scădere, pentru a compensa dezechilibrele generate de instalația fotovoltaică. În următoarea figură, este prezentat profilul de putere mobilizată de hidrocentrală pentru compensarea abaterilor profilului real al parcului fotovoltaic de la profilul estimat de generare, cu rată de raportare de 1 cadru/s.

Cu toate că hidrocentrala își poate modifica rapid parametrii de funcționare (0,5 MW/s), aceasta nu poate “ține pasul” cu variația rapidă a profilului de generare al parcului fotovoltaic. Prin urmare, pentru a minimiza cât de mult posibil dezechilibrele induse în rețeaua electrică, a fost propusă instalarea unui acumulator, care să intervină în momentele în care viteza de variație a profilului de generare al parcului flotant este mai mare de 0,5 MW/s. În figura următoare este prezentat profilul de putere mobilizată de acest acumulator, cu rată de raportare de 1 cadru/s.

Rezultatele obținute în urma studiului conferă informații despre parametrii de dimensionare a centralei hibride. Astfel, pentru parcul fotovoltaic de 5 MW, este necesar un acumulator cu capacitate de 130 kWh și putere 2,5 MW. De asemenea, hidrocentrala trebuie să aibă rezervată o bandă de reglaj de  4 MW, pentru a putea interveni în orice moment pentru compensarea dezechilibrelor. O centrală hibridă având acești parametri va livra în rețeaua publică energie electrică după un profil predictibil și continuu, datorită capacităților de flexibilizare (hidrocentrală și acumulator), care asigură compensarea integrală a dezechilibrelor generate de parcul fotovoltaic în 90% din timpul anului.

Concluzii

Parcurile fotovoltaice plutitoare reprezintă o oportunitate reală, pentru România, de a crește producția de energie electrică din surse regenerabile evitând, în același timp, complicații precum ocuparea terenurilor întinse și influența negativă asupra sistemului electroenergetic, deoarece pot fi cuplate cu hidrocentrale, care să echilibreze profilul de generare. Cu toate că aplicarea rezultatelor obținute în acest studiu ar presupune investiții masive, acestea vor fi mai mult decât necesare într-un viitor în care costul dezechilibrelor nu va mai putea fi neglijat, având în vedere ponderea tot mai mare a surselor regenerabile în mixul energetic.