REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ch10202412080831
Alexandre Bezerra Fortaleza De Souza;
Orientador: Prof. Me. Edvan Carneiro Almeida
RESUMO
A demanda contínua por energia no futuro, onde é declarado que devido à industrialização e ao crescimento populacional, o consumo de energia está previsto para aumentar três vezes; portanto, há pouca dúvida de que será impossível depender apenas de fontes convencionais de energia. Esta é uma das principais razões pelas quais as fontes renováveis são contadas; elas são uma solução natural e viável para o problema perene de sustentar o fornecimento de energia para satisfazer as necessidades humanas. O potencial técnico e econômico instalado da tecnologia solar e eólica, melhorias na tecnologia, benefícios ambientais, bem como desafios na implementação são algumas questões importantes com as quais o artigo aborda. O artigo analisa a eficiência, modularidade e impacto ambiental separadamente para energia solar derivada da radiação solar e energia eólica colhida da força cinética atmosférica do ar. Finalmente, o artigo discute os prós e contras dos sistemas híbridos em termos de estabilidade de geração, redução de custos operacionais, bem como perspectivas para a descarbonização global. Componentes do inversor incluindo painéis solares, turbinas eólicas, baterias, inversores e sistemas autônomos. Os três modelos de configuração propostos são sistemas autônomos, sistemas conectados à rede e sistemas híbridos com geradores a diesel. Desafios econômicos e técnicos identificaram os altos custos iniciais e as complexidades de integração. Embora melhorias e políticas públicas tenham sido introduzidas para impulsionar sua viabilidade. Tendências futuras: redes inteligentes e materiais mais eficientes prometem um aumento na acessibilidade e na natureza competitiva dos sistemas híbridos. Alternativa estratégica para diversificar o modelo de matriz energética em direção à inclusão social, redução de emissões de gases de efeito estufa e desenvolvimento sustentável; Transição energética: Este modelo híbrido representa uma contribuição importante para a transição energética global. para construir um sistema de energia mais limpo e resiliente.
Palavras-chave: Energia solar, Energia eólica, Sistemas híbridos, Sustentabilidade energética, Descarbonização, Redes inteligentes.
1. INTRODUÇÃO
A busca por soluções sustentáveis para atender à crescente demanda energética mundial tem impulsionado o desenvolvimento e a integração de novas fontes de energia em redes de geração e distribuição. Entre essas fontes, destacam-se a energia solar e a eólica, amplamente reconhecidas pela abundância e pelo elevado potencial energético em diversas regiões do planeta, além de apresentarem baixo impacto ambiental direto durante suas operações.
No entanto, essas fontes enfrentam desafios inerentes à sua intermitência, uma vez que a geração de energia depende da insolação e da força dos ventos, que variam conforme as condições climáticas. Para superar essas limitações, os sistemas híbridos, que combinam energia solar e eólica, surgem como uma alternativa promissora, proporcionando maior estabilidade e eficiência na geração de eletricidade.
A complementaridade natural entre essas fontes é um de seus maiores trunfos: enquanto a energia solar apresenta melhor desempenho durante o dia, a eólica é mais eficiente à noite ou em regiões com ventos constantes. Essa combinação permite um nivelamento na produção de energia, reduzindo a necessidade de recorrer a fontes não renováveis. Além disso, os sistemas híbridos oferecem vantagens técnicas, como maior confiabilidade e menor dependência de sistemas de armazenamento, tornando-os mais viáveis tanto economicamente quanto ambientalmente.
Os benefícios dos sistemas híbridos vão além da eficiência energética. Eles atendem a demandas por sustentabilidade ao reduzir as emissões de gases de efeito estufa e promover economia de custos em médio e longo prazo. No entanto, a implementação desses sistemas ainda enfrenta desafios significativos, como o alto custo inicial dos projetos, a necessidade de avanços em integração tecnológica e a falta de políticas públicas adequadas em alguns países.
Este trabalho tem como objetivo explorar a viabilidade técnica, econômica e ambiental dos sistemas híbridos de geração solar e eólica. Por meio de uma revisão bibliográfica, são analisados os principais avanços tecnológicos, configurações possíveis, benefícios e limitações associados a esse modelo de geração de energia. Em última instância, busca-se contribuir para o entendimento do impacto das inovações no setor energético.
A estrutura do trabalho está organizada em seis capítulos: Introdução, Revisão Bibliográfica, Fundamentação Teórica, Desenvolvimento, Conclusão e Referências. Cada seção foi projetada para abordar de forma detalhada os aspectos técnicos e as implicações socioambientais dos sistemas híbridos, ampliando o conhecimento sobre o potencial transformador dessas tecnologias no cenário energético global.
2. METODOLOGIA
A metodologia envolveu técnicas de revisão sistemática de literatura sobre o uso de plataformas cibernéticas em busca de fontes publicadas de 2000 a 2023. Este estudo coletou trabalhos que incluíam livros, artigos, dissertações, teses, entre outros, sobre a integração híbrida de fontes de energia solar e eólica. As informações a serem fornecidas deveriam ser atuais e relacionadas ao resultado produzido. Portanto, a pesquisa se moveu amplamente para fontes conhecidas identificadas como estando no banco de dados Scielo e indexadas na indexação do Google Acadêmico, relatórios técnicos da agência reguladora do setor elétrico ANEEL (2012), ABEEólica (2018), CERNE (2019), entre outros; Palavras-chave: energia solar, energia eólica, sistemas de tecnologia híbrida, sustentabilidade energética, tecnologias renováveis foram usadas para encontrar artigos ou trabalhos relativos a intervenções inovadoras, desafios e vantagens das tecnologias.
O texto encontrado nos artigos e documentos era de um discurso principalmente técnico, econômico e ambientalmente orientado. A análise preliminar foi feita por Blasques S. (2005), em relação à viabilidade técnica e econômica, com ênfase em inovações técnicas e eficiências energéticas feitas posteriormente por Carvalho (2016) e Deshmukh Singh (2018), entre outros. Essa diversidade de publicações comprova uma ampla abordagem interdisciplinar que abrange engenharia elétrica, economia e sustentabilidade ambiental. Assim, foi liberado em algumas linhas temáticas sobre os benefícios técnicos, impacto ambiental e desafios econômicos em uma análise ordenada e focada.
Os estudos foram revisados juntamente com documentos normativos – O Atlas do Potencial Eólico Brasileiro (AMARANTE et al, 2001) e relatórios técnicos, Estudos de Informações Meteorológicas do Ministério de Minas e Energia em 2018 que contextualizam ainda mais o potencial do Brasil para integração híbrida. Uma análise profunda e o alcance do nível desejado de relevância teórica e prática dentro do trabalho foram possíveis devido à aplicação de uma abordagem bibliográfica juntamente com palavras-chave e fontes muito seletivas.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A energia renovável é baseada em princípios físicos básicos e tecnologias relacionadas que podem transformar recursos naturais em energia elétrica de uma maneira econômica e tecnicamente viável. Por exemplo, a energia solar capacita a transformação da radiação solar em energia elétrica por meio de células fotovoltaicas com base no efeito fotovoltaico. Isso é baseado no trabalho bem conhecido em 1905 sobre o efeito fotoelétrico de Albert Einstein e atualmente é completamente coberto por GAZOLLI & VILLALVA (2013). A energia eólica resulta de deixar o ar fluir através de turbinas conectadas a geradores que transformam energia eólica em energia (CUSTÓDIO, 2013). Esses projetos de sistemas híbridos que combinam mais de duas fontes renováveis alternativas existem para poder tirar o melhor proveito das condições climáticas locais.
Como Blasques (2005) observou, tem sido uma das principais suposições técnicas subjacentes à viabilidade da tecnologia solar e eólica e tem sido a complementaridade entre as duas. Lapsos de deficiência complementares entre si só podem ser alcançados uma vez que sejam hibridizados. Enquanto a energia solar é mais produtiva durante o dia, a energia eólica é mais produtiva à noite ou durante um período de maior incidência de vento; portanto, contribui para uma produção equilibrada.
Os inversores inteligentes, baterias de alta capacidade e controle devidamente aplicados seguindo esses sistemas híbridos desenvolvidos. A tecnologia do sistema de energia híbrido é o que é mais necessário de acordo com Deshmukh e Singh (2018) para gerenciamento intermitente e otimização de energia gerada e distribuída. Recentemente, vários modelos de otimização em desenvolvimento e pesquisa, por exemplo, HOMER Pro são aplicados para modelar várias configurações de sistemas híbridos para análise técnica e econômica aprofundada (SINGH, BAREDAR e GUPTA, 2015).
Outro papel importante associado aos sistemas de energia híbridos é a necessidade de avanço de material. Por exemplo, um estudo alternativo indicou que a aplicação da tecnologia moderna de semicondutores em células solares e melhorias no design de lâminas para turbinas eólicas para melhorar a aerodinâmica podem se tornar inovações para maior produção e custos reduzidos; este seria o ano de 2012 (LOPEZ). A transmissão e distribuição avançadas de energia tornariam um processo bastante fácil integrá-los na rede ou mesmo deixá-los trabalhar de forma autónoma em áreas remotas (CERNE, 2019). Os sistemas economicamente híbridos começaram agora a tornar-se viáveis devido aos baixos custos das tecnologias relacionadas com a energia fotovoltaica e à competitividade da energia eólica.
A geração híbrida é, portanto, uma solução potencialmente mais barata para comunidades remotas. Este é o sentimento do Ministério de Minas e Energia `(2018), em que aldeias remotas podem ter menos dependência de combustíveis fósseis e contribuir para a inclusão energética. Portanto, é necessária uma base em tecnologia adequada de geração híbrida para superar esses desafios, que ainda permanece em termos de intermitência, altos custos iniciais e regulamentos desfavoráveis, é muito necessário. Portanto, avanços na pesquisa e no monitoramento das políticas públicas são essenciais para propagar essa tecnologia no Brasil e no mundo (ABEEólica, 2018). Essa técnica base será elucidada nas descrições a seguir, com foco nas características desenvolvidas ao interesse ambiental e ao andamento energético.
3.1 FUNDAMENTOS DA TECNOLOGIA DE GERAÇÃO DE ENERGIA
Ela fornece a etapa necessária para converter recursos naturais em formas de energia utilizáveis por meio da aplicação de princípios científicos e progresso tecnológico. Por exemplo, a energia solar processa fótons por meio de células solares para produzir eletricidade diretamente, o que é um efeito do princípio científico descoberto há mais de cem anos (GAZOLI; VILLALVA, 2013). É por isso que em muitos lugares do mundo onde a incidência de radiação solar é alta, essa tecnologia é saudada e aceita como uma alternativa sustentável para mudar a matriz energética (CERNE, 2019).
Por outro lado, a energia cinética do vento é aproveitada por meio de turbinas. À medida que giram, elas acionam geradores que convertem essa energia mecânica em eletricidade. De acordo com Custódio (2013), esse desenvolvimento da tecnologia de turbinas eólicas por meio de melhor design e mais aerodinâmica aumentou a produtividade, especialmente em áreas costeiras e uniformemente ventosas. Além disso, como fontes de suprimento em larga escala, os parques eólicos têm sido fontes de energia muito importantes para muitos países.
De acordo com Carvalho (2016), é a combinação solar e eólica que traz melhor geração. Por exemplo, espera-se que a eficiência solar seja maior durante o dia e as horas de vento à noite ou quando o vento estiver mais ativo, para energia eólica. Isso, por sua vez, leva à necessidade de menor armazenamento de bateria e, portanto, torna esses sistemas híbridos economicamente mais viáveis (BLASQUES, 2005).
Os avanços tecnológicos de materiais e dispositivos são considerados muito do ponto de vista tecnológico. Melhor semicondutor para célula solar, design aprimorado de lâminas de turbina e vários fatores diferentes se combinaram para maior produtividade e custos mais baixos. Outros softwares de modelagem, como o HOMER Pro, também podem fornecer simulações abrangentes de várias configurações de sistemas híbridos para melhorar seu desempenho e custo-benefício, conforme especificado por (DESHMUKH; SINGH, 2018).
Inversores baseados em inteligência e tecnologias de controle gerenciam a associação da rede inteligente com fontes renováveis ou seu funcionamento independente, o que, por sua vez, ajuda a consumir energia de forma eficiente e aumentar a confiabilidade do sistema. Redes de comunicação e automação ajudam no melhor trabalho do esquadrão de calamidades, diminuem as interrupções e oferecem energia de qualidade (JEAN-CHRISTOPHE, 2012). O fluxo de energia ou potência na rede inteligente é bidirecional e abrange todos os participantes, do gerador e consumidor de energia aos prosumidores (CHAKRABORTY1; ALAM; SRIVASTAVA; SHARMA, 2013).
Do ponto de vista econômico, isso é bastante justificado, especialmente quando o custo das tecnologias fotovoltaicas está diminuindo consistentemente e os sistemas eólicos estão ganhando competitividade. De acordo com o Ministério de Minas e Energia (2018), parece que esses sistemas são especialmente viáveis em alguns locais periféricos, onde estender a rede elétrica convencional não seria possível. Em tais áreas, uma solução híbrida poderia aparentemente contribuir para manter o acesso à energia e melhorar o desenvolvimento local
A substituição de combustíveis fósseis por renováveis reduziu significativamente as emissões de gases de efeito estufa. Por exemplo, de acordo com o Global Wind Energy Council (2018), apenas um sistema híbrido solar-eólico cortaria vários milhões de toneladas métricas de liberação de CO₂ na atmosfera e contribuiria com ajuda global para reduzir as mudanças climáticas. Além disso, essas tecnologias têm desperdício operacional zero, o que minimiza ainda mais seu impacto no meio ambiente (CERNE, 2017).
Apesar das vantagens, ainda existem desafios na implementação de sistemas híbridos. O custo inicial elevado e a falta de políticas públicas adequadas são barreiras frequentes, especialmente em países em desenvolvimento. Conforme Blasques (2005), é necessário investir em pesquisa e desenvolvimento para superar esses obstáculos e ampliar a adoção dessas tecnologias em larga escala.
3.1.1 Energia solar
É geralmente considerada uma das fontes mais viáveis e promissoras de energia renovável. Sua característica distintiva é a transformação da radiação solar em eletricidade. Isso é feito principalmente por meio de painéis solares que convertem a luz solar em eletricidade de corrente contínua com a ajuda de um efeito fotovoltaico.
Como o recurso é abundante e disponível em todo o mundo, ele torna a tecnologia uma solução viável para muitas regiões, especialmente aquelas que recebem altas incidências de radiação solar.
A localização geográfica é uma coisa. Com sorte, o Brasil tem um enorme potencial na produção de energia solar. Quase todo o país foi mapeado como condições muito boas por conta da radiação solar total potencial máxima pelo Atlas Solarimétrico do Brasil (UFPE, 2000), e esta é uma condição ideal para grandes instalações de usinas, bem como geração distribuída. Tudo isso já precipitaram coisas “resilientes” como o setor fotovoltaico, com números crescentes de instalações residenciais e comerciais (CERNE, 2019).
Mais retorno: mais dólares: essas melhorias incluem o uso de materiais semicondutores, então pode-se dizer que nos últimos anos houve um aumento substancial na eficiência das células solares. O uso de materiais como silício monocristalino aumentou a eficiência relativa desses painéis porque, como afirmado por LOPEZ (2012), a maioria dos painéis fotovoltaicos são bastante antieconômicos em comparação com outras fontes de energia.
O uso da energia solar será por meio do consumo local e usos para o fornecimento de iluminação. A razão por trás disso é a natureza modular dos sistemas fotovoltaicos, que podem funcionar em escalas variadas, por exemplo, de sistemas singulares no meio do nada a enormes fazendas solares conectadas a uma rede elétrica. Essa flexibilidade permitirá, portanto, o uso da energia solar para a demanda local e necessidades industriais (CERNE, 2017).
Sem dúvida, a energia solar tem inúmeras vantagens, embora o desafio mais notável contra ela inclua sua intermitência porque sua geração só acontece quando há luz solar em um determinado momento. No entanto, as tecnologias de armazenamento atuais são altamente desenvolvidas a esse respeito com baterias de íons de lítio. Deshmukh e Singh (2018) atacaram particularmente as tecnologias existentes como sendo maduras o suficiente para permitir que a energia produzida durante o dia seja usada durante a noite ou quando a insolação é baixa.
Assim, a legislação é a chave para levar o setor solar a níveis mais altos. Por exemplo, no Brasil, a micro e minigeração distribuída foram tratadas na Resolução Normativa nº 482/2012 da ANEEL, na qual os consumidores poderiam gerar sua própria energia e injetar o excedente na rede pública. Esse incentivo foi apontado como um dos principais impulsionadores do crescimento da geração solar distribuída no país (ANEEL, 2012). O outro tem a ver com o ambiente em que a energia solar está entre as melhores no transporte de energia semelhante a recursos. Especificamente, durante as operações, ela não libera os gases de efeito estufa que são os principais agentes das mudanças climáticas.
O Ministério de Minas e Energia fez uma indicação em 2018 de que mesmo essa carga ambiental “tradicional” de fabricação e descarte de painéis solares havia sido reduzida pela reciclagem e um plano de design voltado para o desenvolvimento sustentável. Outro benefício que vem com a adoção da energia solar é socioeconômico. De acordo com a Avaliação Mundial de Energia, conforme citado em um relatório da RAND/National Renewable Energy Laboratory e da RAND Europe dos anos de 2000 e 2002, as energias renováveis respondem por 19% do fornecimento de energia predominantemente tradicional baseado em biomassa e têm “um papel central nos sistemas de energia de vários países em desenvolvimento”.
3.1.2 Energia eólica
A energia mecânica é transmitida pelo movimento dos ventos, que movimentam as turbinas acopladas aos geradores elétricos. Essa tecnologia pode ser uma das formas pioneiras de energia, mas vem se modernizando e é uma resposta adequada à crescente necessidade de fontes renováveis de energia (CUSTÓDIO, 2013). Sua utilização é atribuída à ampla disponibilidade do vento em diversas regiões, com especial referência ao seu potencial em termos técnicos em áreas costeiras e montanhosas (AMARANTE et al., 2001). No Brasil, a energia eólica figura entre as possíveis fontes alternativas. O país é líder entre as nações latino-americanas em capacidades instaladas e reservas desse tipo de produção em parques eólicos localizados em estados como Rio Grande do Norte, Ceará e Bahia. Segundo a ABEEólica (2018), os anos mais recentes foram marcados por um crescimento explosivo na produção de energia elétrica eólica, que já ocupa um lugar considerável na estrutura energética nacional. Outro ponto positivo dessa fonte é sua eficiência, que lhe permite atingir excelentes fatores de capacidade em áreas com ventos constantes e de boa qualidade. Além disso, a aerodinâmica das pás tornou a tecnologia produtiva sob diferentes condições climáticas e tornou as turbinas mais adaptáveis (FADIGAS, 2011). Essas melhorias possibilitaram aumentar a capacidade de geração sem um aumento proporcional no investimento em infraestrutura.
Do ponto de vista ambiental, a energia gerada pelo vento está entre as mais limpas; isso porque não são emitidos gases de efeito estufa durante sua operação. Além disso, os impactos ambientais associados à instalação de parques eólicos, como mudanças na fauna e no solo, foram reduzidos por meio de práticas de engenharia ambientalmente responsáveis (CUSTÓDIO, 2013).
Notavelmente, a energia eólica tem que experimentar os problemas de intermitência e variabilidade em relação ao clima preciso do qual depende. No entanto, como forma de evitar tais problemas, a combinação dessas formas de energia com outras, por exemplo, a energia solar tem se mostrado uma solução eficaz (CARVALHO, 2016). Esse aspecto será analisado na discussão subsequente.
3.1.3 Integração híbrida de fontes de energia solar e eólica
Em outras palavras, o todo é melhor do que a soma das partes; o vento preenche lacunas tanto à noite quanto quando, às vezes, o vento flui em nenhuma das condições ideais. Os sistemas híbridos, portanto, apresentam melhor estabilidade na produção de energia, reduzindo a dependência de fontes fósseis e aproveitando ao máximo os recursos naturais (CARVALHO, 2016).
Essa é a situação no Brasil e nas áreas remotas onde as fontes são combinadas para obter fontes de energia mais confiáveis, de acordo com MILANO (2017). Uma coordenação adicional foi possível por meio da melhoria tecnológica em inversores inteligentes e sistemas de controle para que essas usinas tenham um gerenciamento eficaz da energia gerada. Softwares de modelagem como o HOMER Pro modelam e simulam como os sistemas híbridos funcionariam sob diferentes condições climáticas e demandas contra diversas variáveis.
A implementação de sistemas híbridos contribuiu para a redução de custos no médio e longo prazo, especialmente em comunidades isoladas. Estudos também mostraram que a combinação de fontes renováveis pode reduzir a necessidade de armazenamento de energia e, portanto, o investimento em baterias (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2018).
No entanto, a adoção generalizada de sistemas híbridos ainda enfrenta o desafio de altos investimentos iniciais, bem como os requisitos competitivos para um regime de suporte. De fato, conforme ABGD (2019), as políticas públicas devem apoiar a implementação desses sistemas, dando subsídios e créditos de instalação. Deve haver, além disso, programas de treinamento técnico em vigor para que profissionais bem versados na operação de tecnologias sejam treinados.
A integração híbrida também apoiou o meio ambiente, pois permitiu um grande corte nas emissões de carbono. O Global Wind Energy Council (2018) disse que os sistemas híbridos tinham o potencial de ajudar o mundo a evitar emissões anuais de milhões de toneladas de CO₂, em linha com o que o mundo aspira alcançar contra as mudanças climáticas.
3.2 VANTAGENS DA INTEGRAÇÃO HÍBRIDA
O conjunto da energia solar e eólica pode ser considerado melhor do que a soma de suas partes, incorporando assim uma solução de fabricação inovadora e ambientalmente benigna, que extrai da outra sua força. Combinar as duas fontes é uma das principais vantagens e permite uma produção de energia mais estável. A energia solar pode estar mais disponível durante o dia, enquanto a energia eólica é mais favorável à noite ou durante uma brisa consistente, tornando o equilíbrio mais ideal (CARVALHO, 2016).
Uma coisa que a torna geralmente amigável envolve quebrar aquele nível de intermitência comum à maioria das fontes renováveis, que de outra forma estão vinculadas ao clima porque precisam de condições climáticas específicas para funcionar, seja sol, vento ou geotérmica. Embora a variabilidade de gerações tenha sido reduzida por meio da integração híbrida, ela ainda não é suave, apenas livre de estresse, ao mesmo tempo em que atende às demandas regulares de energia (BLASQUES, 2005). Isso é certamente muito mais necessário em áreas remotas ou isoladas com disponibilidade quase zero de eletricidade convencional. Tecno economicamente, isso teria sido muito mais eficiente em termos de energia, pois tecnologias avançadas como inversores inteligentes e sistemas de controle automático poderiam ter utilizado de forma otimizada os recursos disponíveis usando ambas as fontes de forma integrada e coordenada. Além disso, a sinergia entre as fontes teria economizado custos enormes no sistema total e, portanto, reduzido a necessidade de armazenamento de bateria. Em terceiro lugar, a integração híbrida permitirá maior segurança energética ao permitir que a energia flua de uma fonte que falhou para outra fonte ininterrupta. Lá, se uma fonte falhar ou for interrompida, a outra pode compensar a geração, tornando o fluxo contínuo. Esta aplicação deve ser seriamente considerada em contextos críticos, como hospitais, indústrias, bem como data centers onde a energia contínua é uma necessidade urgente. Do ponto de vista econômico, os custos operacionais foram reduzidos a longo prazo. Embora o custo do investimento inicial seja relativamente alto, a médio e longo prazo a viabilidade e a sustentabilidade da tecnologia sem grande dependência de combustíveis fósseis para operações justificam isso. O custo total do uso desta tecnologia acumula-se para mostrar uma solução justa e sustentável quando os custos de manutenção reduzidos são seriamente considerados de acordo com o MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA 2018. Outro benefício que surge com o abandono desta tecnologia é que ela ajudaria na diversificação da fonte de energia, portanto, mais robustez às flutuações de preços nos mercados de combustível.
Os benefícios ambientais também estão lá. Especificamente, no caso da integração híbrida, há um benefício importante — ele ajuda a reduzir as emissões de gases de efeito estufa, uma iniciativa muito desejada em todo o mundo para conter as mudanças climáticas. De acordo com o Global Wind Energy Council (2018), “essas configurações híbridas evitariam a liberação de milhões de toneladas de CO₂ por ano” e isso é um efeito “bom” e “sustentável” para o meio ambiente.
Finalmente, os sistemas híbridos são benéficos porque podem ser facilmente adaptados a diferentes contextos geográficos. Eles podem ser flexíveis em termos de instalação urbana e rural, o que pode atender a certas demandas locais específicas; por exemplo, há comunidades remotas onde a eletricidade poderia ser gerada de forma autônoma e barata da forma como é usada atualmente (MILANO, 2017). Isso promoveria a inclusão energética e melhoraria a qualidade de vida das populações em regiões remotas.
A integração híbrida impulsiona a inovação tecnológica. Os aspectos de desenvolvimento de sistemas que combinam a integração efetiva de ambas as fontes estão desenvolvendo pesquisas em armazenamento de energia, software de controle, materiais avançados para turbinas e painéis solares (DESHMUKH; SINGH, 2018). Essas inovações se acumulam em benefício não apenas dos sistemas híbridos, mas de outras tecnologias dentro da indústria de energia.
A modularidade dos sistemas híbridos é outra vantagem importante. Eles podem ser dimensionados para atender desde pequenas instalações residenciais até grandes parques de geração. Essa flexibilidade torna a tecnologia atrativa tanto para consumidores individuais quanto para grandes empresas e governos, que buscam diversificar suas matrizes energéticas (ABEEólica, 2018).
A integração híbrida também contribui para a criação de empregos e o fortalecimento da economia local. Segundo a IRENA (2018), o setor de energias renováveis é um dos que mais cresce em geração de empregos, abrangendo desde a fabricação e instalação de equipamentos até a manutenção e operação dos sistemas. No Brasil, isso se traduz em oportunidades econômicas significativas, especialmente em regiões que recebem projetos híbridos.
Além disso, os sistemas híbridos promovem a descentralização da geração de energia, diminuindo a dependência de grandes usinas e reduzindo as perdas de transmissão. Essa característica é fundamental para aumentar a eficiência do sistema elétrico e atender à demanda de forma mais sustentável e econômica (ANEEL, 2012).
As vantagens também se estendem ao planejamento energético de longo prazo. A integração de fontes renováveis diversifica a matriz energética, reduzindo a vulnerabilidade a crises energéticas e aumentando a segurança energética nacional (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2018). Essa abordagem estratégica fortalece a resiliência do sistema elétrico frente a mudanças climáticas e flutuações no mercado de energia.
Do ponto de vista social, a integração híbrida democratiza o acesso à energia. Em comunidades isoladas, onde a infraestrutura de distribuição é precária, os sistemas híbridos permitem o fornecimento autônomo de eletricidade, promovendo inclusão social e melhorando condições de saúde, educação e economia local (CERNE, 2019). Esse impacto social positivo reforça a relevância da tecnologia em um contexto de desigualdade energética.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
É primordial que a análise do potencial e da eficiência dos tipos das fontes renováveis seja feita a fim de compreender a adequação técnica e econômica em sistemas de geração de energia limpa, como a energia solar e eólica.
Neste capítulo, visa-se discorrer acerca dos passos tecnológicos, das dificuldades operacionais e das oportunidades proporcionadas pela integração de tais tipos de fontes à matriz energética. Ademais, aborda-se a integração acerca dos tipos de sistemas híbridos, expõe-se a complementariedade entre ambos, simulando como a sinergia de energia solar e eólica garante a estabilidade e eficiência em geração entre si, contribuindo, em conjunto, para a transição energética moderna e a ameaça às mudanças climáticas.
4.1 POTENCIAL E EFICIÊNCIA DAS FONTES RENOVÁVEIS
Fontes renováveis, especialmente solar e eólica, serão a pedra angular do futuro, fornecendo uma alternativa de combustível barata e abundante. Talvez o custo da energia solar para a produção de eletricidade se torne marginal, já que sua fonte – radiação solar – é quase sem custo, com os intermediários excluídos dos benefícios financeiros. Com o Brasil tendo um dos maiores níveis de insolação do mundo, de acordo com o Atlas Solarimétrico do Brasil (UFPE, 2000), as condições são criadas para a instalação de sistemas solares de larga escala. É aplicável em condições comuns para necessidades domésticas e favorável a grandes projetos industriais.
O avanço na tecnologia solar tem sido realmente impressionante, notavelmente painéis fotovoltaicos. Semicondutores avançados, principalmente silício monocristalino, aumentam muito a eficiência dos sistemas fotovoltaicos, como Lopez (2012) argumentou. Portanto, é técnica e economicamente viável, e definitivamente não tão relevante anteriormente, já que os custos de produção caíram significativamente ao longo dos anos.
Outra característica é sua modularidade. Por exemplo, o fornecedor escreve que o projeto pode ser multiplicado e montado com menos problemas, de pequenas usinas solares residenciais a grandes. Esta é uma vantagem da tecnologia, que pode ser atrativa quando se leva a tecnologia adiante em uma matriz energética convenientemente diversificada.
A energia solar térmica tem um papel importante, embora seja específica para a aplicação. As possibilidades de aplicação da fonte são ainda potencializadas através do aquecimento solar líquido para aquecimento de fluidos e geração de energia através do ciclo Rankine, conforme estabelecido por Deshmukh e Singh. Isto confere um mérito adicional ao modo de produção fotovoltaica e, portanto, prova ser flexível para necessidades energéticas variadas.
Por isso, no Brasil, a energia eólica é uma das fontes de energia renovável mais eficazes. Regiões desenvolvidas, como o Nordeste, têm potenciais nacionais especialmente elevados devido à qualidade e constância dos ventos para a instalação de parques eólicos. Estas últimas condições mantêm regularmente as capacidades dos parques eólicos brasileiros acima da mídia mundial.
À medida que a tecnologia melhorou, também melhorou a eficiência das turbinas eólicas. Melhores lâminas e o uso de aerodinâmica avançada estão entre as inovações recentes que Fadigas 2011 declarou que levaram ao aumento da produtividade das turbinas, mas a custos operacionais mais baixos. Isso pode ser feito com exploração offshore porque, como a maioria das pessoas sabe, os ventos offshore são mais constantes.
De fato, um dos principais problemas para ambas as fontes é que elas são, em qualquer caso, uma fonte imprevisível de energia. É bastante claro que a disponibilidade depende das condições atmosféricas e da hora do dia no que diz respeito à energia solar; no que diz respeito à energia eólica, tudo depende da força e direção dos ventos. Referindo-se a Carvalho (2016), essas restrições podem ser minimizadas pela hibridização com outras fontes. Essa dualidade entre energia solar e eólica é o maior mérito desses sistemas híbridos. Como a geração solar é muito melhor orientada do que a geração eólica noturna complementar, um resultado de produção razoavelmente equilibrado e estável deve ser alcançado, conforme afirmado por Blasques (2005).
Essa sinergia reduzirá a variabilidade e aumentará a eficiência geral no que diz respeito à funcionalidade das linhas noturnas, uma vez que também é eficaz durante o dia. Ambientalistas apreciam amplamente essas duas fontes. De acordo com o Global Wind Energy Council (2018), elas contribuem para conter as mudanças climáticas por meio do processo de emissão de gases de efeito estufa. Essas fontes são livres de resíduos tóxicos e, portanto, têm pouco impacto a longo prazo no meio ambiente. Tem sido econômico, e o custo dessas tecnologias solar e eólica tem diminuído continuamente.
De fato, o Ministério de Minas e Energia (2018) também classifica a energia eólica entre as mais baratas do Brasil, disputando diretamente as fontes tradicionais, principalmente hidrelétricas, no país. Isso mostra a tecnologia alcançada e a magnitude da produção alcançada pela indústria. Além disso, a criação de oportunidades de emprego é uma estratégia para o desenvolvimento econômico. Por exemplo, a IRENA (2018) afirma que somente no setor solar, milhares são empregados na fabricação e instalação de sistemas fotovoltaicos e sua manutenção. Os parques eólicos, por exemplo, promovem o desenvolvimento local por meio de empregos diretos e indiretos nas comunidades em que são instalados.
A segurança energética é ainda mais reforçada pela diversificação da matriz energética com fontes renováveis. Como Amarante et al. relatam, “quanto mais os projetos de energia solar e eólica são expandidos, mais a economia alivia a dependência de fontes fósseis” (2001). Essa diversificação torna o sistema energético altamente isolado não apenas de crises, mas também de flutuações de mercado.
O futuro dessas fontes é o futuro: uma preocupação mais geral com a realização e “cumprimento” dos objetivos globais de descarbonização. Portanto, é lógico que a maioria dependa das tecnologias solar e eólica como os pilares da transição energética e, portanto, desses recursos de energia limpa. Como foi apontado por Blasques (2005) e Carvalho (2016), vários pontos negativos relacionados à geração de eletricidade podem ser combatidos apenas com a tecnologia solar e eólica, portanto, há uma necessidade compulsiva dessas tecnologias em todos os sentidos.
4.2 INTEGRAÇÃO E COMPLEMENTARIDADE DE SISTEMAS HÍBRIDOS
Integrar sistemas híbridos de energia solar e eólica é provavelmente uma das melhores maneiras de sair das limitações peculiares de fontes renováveis separadas, conforme observado por Blasques (2005). Essas duas tecnologias naturalmente andam de mãos dadas no sentido de que uma pode convenientemente intervir para os déficits da outra em relação à variabilidade. As horas de luz solar tornam a energia solar mais econômica, pois é um período em que haverá luz solar. Por outro lado, a energia eólica é mais eficiente em momentos durante a noite ou quando há fluxo de vento consistente porque traz uma geração mais equilibrada.
A estabilidade na geração de energia estaria entre os benefícios mais significativos dessa integração. Isso é apoiado por Carvalho (2016), que indica que, ao reduzir variações complementares na produção de energia, o sistema se torna mais confiável. Isso é crítico, especialmente para regiões remotas ou isoladas; em tal situação, a energia gerada localmente é a principal fonte de eletricidade na maioria das vezes para ajudar a reduzir os períodos de escassez.
Além disso, a agregação de fontes reduz a necessidade de enormes instalações de armazenamento, redução significativa de custos. Deshmukh e Singh (2018) observaram que a consistência na produção dentro de sistemas híbridos veria uma redução na dependência de baterias devido à minimização dos custos iniciais e operacionais. Este atributo, portanto, torna os sistemas híbridos gerenciáveis e sustentáveis em projetos de qualquer escala. Os sistemas híbridos têm inúmeros benefícios em relação ao meio ambiente. Por exemplo, de acordo com o Global Wind Energy Council (2018), a energia solar e eólica quando combinadas reduzem a necessidade de combustíveis fósseis, contribuindo diretamente para a descarbonização global.
Outra área em que os sistemas híbridos funcionam melhor é na redução dos impactos ambientais resultantes da produção de baterias e processos relacionados ao descarte, uma vez que minimiza a dependência de armazenamento, neste caso, baterias. O projeto também tem outros benefícios econômicos. A redução nos custos operacionais e o aumento da eficiência dos sistemas híbridos também significaram que eles são competitivos em relação às fontes tradicionais de energia, conforme argumentado pelo Ministério de Minas e Energia (2018). Esta solução sustentável pode ser particularmente atraente financeiramente em áreas industriais isoladas.
Relacionado ao último está a flexibilidade dos sistemas híbridos em relação a variadas condições geográficas e demandas de energia. De acordo com Milano (2017) e outros pesquisadores, a hibridização de fontes solares e eólicas funciona de forma mais eficiente em regiões onde a geração de energia solar começa durante o dia e começa a ser perseguida pelo vento durante a noite, como em várias partes do Nordeste brasileiro. Tecnicamente, esses sistemas híbridos se beneficiam de melhorias no controle, bem como no monitoramento. Inversores inteligentes, sistemas de automação de controle e software de modelagem como o HOMER Pro gerenciam conexões muito produtivas entre fontes, minimizando perdas durante a geração. Essas novas inovações proporcionam maior confiabilidade e operação para sistemas híbridos.
A integração híbrida também aparece em indicadores de sustentabilidade social, seguida pela inclusão energética, ao mesmo tempo em que finalmente leva eletricidade para comunidades isoladas. Conforme dito pelo CERNE (2019), a geração híbrida é uma saída para energizar as áreas remotas, trazendo comodidades para melhorar a qualidade de vida e desenvolver as áreas rurais. Essa propriedade fortalece ainda mais o papel dos sistemas híbridos como uma solução integrativa. No entanto, ainda existem desafios técnicos e econômicos a serem resolvidos para a adoção mais ampla desses sistemas. As principais barreiras são os altos custos iniciais e a complexidade na integração, conforme apontado pela ABGD (2019). No entanto, isso pode ser compensado um pouco por incentivos governamentais e programas de financiamento para tornar a implementação desses projetos menos assustadora.
A regulamentação é uma questão muito importante para reduzir a viabilidade da geração híbrida. O caso da Resolução Normativa nº 482/2012 da ANEEL, regulando a micro e minigeração distribuída no Brasil, é um caso importante que ajudou a promover sistemas renováveis. Há necessidade de ajustes para atender às especificidades dos sistemas híbridos para uma extensão de sua operação.
Consequentemente, o híbrido de fontes aumenta a diversificação da matriz energética, reduzindo a exposição a crises de mercado e energia. De acordo com o Ministério de Minas e Energia (2018), isso aumentaria a segurança energética nacional de um país, pois pouca dependência de fontes tradicionais é necessária para que um país funcione.
A tecnologia avançada é outro ativo interminável de evolução para sistemas híbridos. A pesquisa está a caminho de tornar os componentes mais eficientes, como turbinas eólicas e painéis solares, e de criar novas soluções de armazenamento e controle. De acordo com a UNIFOA (2024), as tendências futuras incluem a adoção extensiva de redes inteligentes, bem como materiais mais eficientes.
Os sistemas híbridos de energia solar e eólica são soluções estratégicas para os problemas associados à transição energética. Os benefícios em termos de estabilidade, eficiência e sustentabilidade tornam esta uma abordagem inevitável para abordar as necessidades futuras de energia de uma forma mais limpa e confiável em escala global. Esses sistemas, com tecnologia e investimento contínuo em regulamentação, podem realmente mudar o jogo na geração futura de energia.
4.3 TECNOLOGIAS E CONFIGURAÇÕES DE SISTEMAS HÍBRIDOS
O futuro já está aqui, com a tecnologia avançando a cada dia. A necessidade mais importante para verificar sua eficácia, confiabilidade e sustentabilidade é o design correto e a seleção de componentes para os sistemas de geração de energia híbrida solar-eólica. Os blocos de construção do projeto de poços são necessários para uma conversão eficaz de captura de energia, e os sistemas híbridos de armazenamento/distribuição agrupam tecnologias individuais para formar uma única entidade com o desempenho ideal na geração de energia. A incorporação adequada da tecnologia desempenha um papel de “grande sucesso na operação” na operação das instalações híbridas, portanto, a implementação adequada da integração de tecnologia nessas instalações híbridas é um projeto abrangente no qual milhares de parâmetros devem ser cuidados.
Ele usa materiais semicondutores, não silício – o material mais comumente usado nesta tecnologia. Portanto, eles são alternativas viáveis para aplicações em sistemas de energia renovável. A nova turbina, então, é um dispositivo extremamente aerodinâmico destinado a produzir o máximo de energia possível sob condições de vento variáveis, disse (FADIGAS, 2011).
Isso é especialmente verdadeiro porque os inversores são os precursores dos sistemas híbridos, pois convertem a corrente contínua vinda dos painéis solares e turbinas eólicas em corrente alternada, que é o que um sistema de rede convencional usa. O inversor inteligente fornece uma ótima solução para integração eficiente de fontes com monitoramento em tempo real e otimização do sistema. A tecnologia de bateria também se torna importante para armazenar esse excesso de energia de fontes renováveis, para posteriormente ser utilizada quando a produção cair (MILANO, 2017).
A transição para sistemas mais novos é classificada para carregar relativamente melhor nos materiais, com relação a uma unidade ou per capita, do que as baterias comuns de íons de lítio. Este sistema híbrido aprimorado, portanto, se torna mais confiável em regiões que sempre precisam de um fornecimento de energia consistente. Sistema de controle: O controle é outra operação muito crucial e sensível da energia solar e eólica. Ajuda no gerenciamento da produção e armazenamento de energia; o objetivo geralmente é utilizar adequadamente os recursos disponíveis sem sobrecarregar as instalações. Portanto, a simulação pode ser altamente útil para o design ideal de sistemas para uma área geográfica específica pelo software HOMER Pro.
Os sistemas híbridos podem, portanto, ter um design muito diferente, que depende das necessidades e condições específicas de energia. O mais popular pode ser o sistema híbrido autônomo sem conexão à rede, usando armazenamento de bateria para energia. De acordo com o CERNE (2019), isso é muito bom para sociedades periféricas, para o campo; dá autonomia energética e melhora o desenvolvimento local.
E o quinto é a configuração do sistema híbrido conectado à rede, em que a energia de acesso pode ser injetada na rede e o sistema extrairá energia da rede em baixa produção. Essa configuração é altamente benéfica para residências e empresas porque diminui os custos de energia elétrica e é mais sustentável (CARVALHO, 2016).
Em terceiro lugar, existem os sistemas híbridos com geradores a diesel como reserva. Estes destinam-se principalmente a aplicações críticas, como telecomunicações e estações de bombagem, onde a fiabilidade do fornecimento de energia deve estar disponível. Recomenda-se a utilização de combustíveis fósseis como suporte, embora sua operação seja reduzida, para reduzir seu impacto ambiental em comparação aos sistemas exclusivamente diesel (MILANO, 2017).
Dentre as dificuldades técnicas associadas à implementação de sistemas híbridos estão a compatibilidade entre os componentes e a infraestrutura adequada. Segundo a ABGD (2019), a entrada desse sistema requer um planejamento cauteloso e um investimento bastante elevado, principalmente em regiões em que a infraestrutura é praticamente inexistente. No entanto, no Brasil, políticas de incentivo público têm facilitado a expansão desses sistemas.
Os custos iniciais ainda são uma barreira, especialmente se uma área tem uma densidade populacional menor. No entanto, o retorno do investimento a médio e longo prazo pode ser muito atraente, pois os custos operacionais são muito baixos e há total liberdade de fontes de combustíveis fósseis (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2018). Em terceiro lugar, o declínio contínuo nos custos de componentes, por exemplo, painéis solares e turbinas eólicas, reforçou ainda mais esses sistemas híbridos.
A tecnologia renovável aliada a redes inteligentes é uma tendência emergente que é um bom presságio para melhorando a eficiência do sistema híbrido. Então, é afirmado que as redes inteligentes ajudam a monitorar e controlar o fluxo de energia em tempo real, tornando a distribuição de energia mais eficaz com menos desperdício de energia, bem como aplicadas a áreas de aplicação de sistemas híbridos em regiões urbanas. Vantagens ambientais dos sistemas híbridos são: CERNE (2019) argumentou que a redução da emissão de gases de efeito estufa e a minimização da dependência de combustíveis fósseis contribuem para evitar as mudanças climáticas e preservar os recursos naturais. Além disso, isso ajuda a reduzir os impactos ambientais relacionados à geração de energia usando fontes renováveis em combinação .
5. CONCLUSÃO
Há muito tempo tem sido discutido e argumentado em todo o mercado de energia que somente a solução futura para fornecer um alto volume de energia seria criada por sistemas híbridos solares e eólicos. Ajudar uns aos outros com uma combinação dessas duas fontes supera a “intermitência” e torna a produção de eletricidade por meio delas o mais eficiente possível. Vamos ver como esses sistemas, especialmente os híbridos, fazem contribuições mais consideráveis para a sustentabilidade em atividades médias, pequenas ou microeconômicas ao redor do mundo.
Mais energia pode ser produzida quando os sistemas solares e eólicos trabalham juntos do que quando qualquer um deles trabalha sozinho. Além desse fato, esses sistemas também são considerados desafiadores de implementar devido aos altos custos iniciais e ao fraco impulso que as políticas públicas dão para sua implementação; no entanto, o futuro pode vir com tecnologias em componentes como baterias e inversores inteligentes, além de software de simulação que torna os sistemas híbridos ainda mais viáveis. Isso tornaria a tecnologia não apenas para cidades, mas também para localidades remotas.
A integração híbrida solar-eólica é muito mais do que uma solução técnica e econômica; mais importante, é o passo vital na transição energética global. Isso representa um caminho alternativo para aumentar a autossuficiência em combustíveis fósseis, promovendo a inclusão energética e evitando a dinâmica das mudanças climáticas. Poderia levar a um maior investimento em pesquisa e suporte político para concretizar o potencial de remodelar o sistema energético em uma tentativa de um futuro sustentável.
6. REFERÊNCIAS
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