Overview of Solar in

1st Workshop Solar Energy, FAPESP

13/11/2017 Enio Bueno Pereira [email protected]

LABREN - Laboratory for Modelling and Studies of Resources INPE – National Institute for Space Research Brazil’s NDC Nationally Determined Contributions Brazil’s Commitment to the Paris Agreement Greenhouse gas emissions Waist Industrial Treatment 2005 Processes 3% 5%

Energy Generation Land Use 24% -37% and Forests 2015 46%

Agriculture 2030 22%

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Brazil’s electricity energy matrix

dispatch of thermoelectric plants nuclear photovoltaic 14% 39000 wind 1,2% 0,02% 6,5% thermal 12% 37000 26% 10% 35000

8% Thermal/Hydro Hydro / GWh 33000

6% GWh 31000

4% Thermal water crisis Source ANEEL 2017 29000 hydro 2% 66% 0% 27000 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

Source: ONS 2017

Wind and photovoltaic may be the answer to achieve the NDC goal for non- hydro renewable energy generation along with

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Solar irradiance in Brazil

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Information barrier

• Variables energy source

• Energy planning and investments demand secure science-based information to assure the return of their investments and to obtain financing for their projects

• Stakeholders are interested in the knowledge of the influence of climate variability on • solar resource; • solar variability and trends; • Hydro-solar-wind complementarity, etc.

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP New science sector: Energy Metorology LABREN - Laboratory for Modelling and Studies of Renewable Energy Resources http://labren.ccst.inpe.br The multidisciplinary laboratory LABREN-CCST-INPE, carries out research and teaching activities in energy meteorology and in the climate system influence on energy resources making use of satellite data, computational modelling and observational data.

Research Topics: • Assessment of solar and wind energy resources • Short and medium-term forecast of solar and wind generation • Energy and global climatic changes • Site-specific measurements, characterization and modelling of solar and wind resources

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Solar resource assessment Large areas – available information

• Most of the available information sources for Brazilian territory are State Governments initiatives through bidding contracts

• Available information are based on statistical interpolation of ground observations

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Ground data versus model data

70 Interpola on 60 Extraplola on

50

40

30

Interpolation error error (%) Interpolation 20

10 Break-even (20 – 40 km) 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Distance between stations (km) New Brazilian Atlas of Solar Energy - 2007

An INPE accomplishment in association with several national universities

• 17 years of satellite data • Spectral radiation transfer model • Validation by using more than 500 ground sites • National coverage

Download pdf and shape format data at: 2006 http://labren.ccst.inpe.br/atlas_2017.html

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Site-specific solar assessment Model development Feasibility of projects Due- diligence

• Ground measurements

• Public solarimetric stations and/or networks

• Site-specific from projects - proprietary data

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP  SONDA network http://sonda.ccst.inpe.br/ A BSRN/WMO associate Data acquisition sites managed by LABREN • INMET network Estação Tipo UF Altitude (m) Belo Jardim A PE 718 http://www.inmet.gov.br/ Brasília SA DF 1023 Cachoeira Paulista S SP 574 Caicó S RN 176 Campo Grande S MS 677 Data acquisition sites managed Cuiabá S MT 185 by partners and collaborators Ourinhos SA SP 446 Estação Tipo UF Altitude (m) Palmas S TO 216 Chapecó S SC 700 Petrolina SA PE 387 Rolim de Moura S RO 252 S PR 891

São Luiz S MA 40 Florianópolis S SC 31 São João do Cariri A PB 486 Joinville S SC 48 São Martinho da SA RS 489 Serra Natal S RN 58 Triunfo A PE 1123 Sombrio S SC 15

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP PV yield (kWh/kWp) Global latitude tilted irradiation

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP 14/11/2017 tilted irradiation Global latitude 1st Workshop 1st Solar Energy - FAPESP 4 5

Atlas Brasileiro de Energia Solar Model Uncertainties (mean daily totals for global horizontal irradiation)

Maximum percentage deviation between modeled and observed monthly average of daily global irradiation for the percentiles of 10% and 90%

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Model Uncertainties (daily totals of global horizontal irradiation)

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Model Validation (mean daily totals for global horizontal irradiation)

Good agreement of distribution curves between observed and modelled values

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP 14/11/2017 1st Workshop 1st Solar Energy F i g u r a

4 1 .

M a p a

d o

p e r c e n - t i FAPESP l

P 2 5

d a

i r r a d i a ç ã o

g l o b a l

h o r i z o n t a l

a n u a l

p a r a

o

t e r r i t ó r i o

b r a s i l e i r o . horizontal solar irradiation above these values. these irradiationabovehorizontal solar i.e. 25The percentile globalvalues of solar irradiation, 5 daily Space variability 5 75days the %of Atlas Brasileiro de Energia Solar totals totals of global horizontal present of global present daily totals irradiation Annual Variability daily totals of global horizontal irradiation (kWh/m2.dia)

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Seasonal Variability daily totals of global horizontal irradiation (kWh/m2.dia)

maximum

mean median

minimum

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Trends (mean daily totals for global horizontal irradiation)

Mann-Kendall trend analysis at 95% confidence level

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP maximum

mean median (Brazilian regions versus Europe)

Comparison minimum

.dia

2

/m kWw

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP p o p a m r s q d c n e s P o é i n p i e o  t c B a i v c n P p c c (standard (standard sized system) Solar Hot r n m e r i i a o o o  t a n , p m e ã e a r r b r  r b e r e r s m a m d a r g p o i a o r o a l l s t o r n b c e m p e r c s n t l a p n e o a i i o

- - Yearly specific energy thermalproduction e a d i  t e v o d i s v e s c e a e r

õ c r c r d e s t o c s r o m a g i

o i l i o e a s s  t e r i e o i s e a f l e a d n e i t o o a p r e n . v q s • • • • • s e C P O i o c d d s s ç c e s 14/11/2017 ç r s t a ç s a  s t s s money savings moneysavings in andSouth Southeast. Higher energy causes thermalhigher production demand.absenceproduction of of the because energy thermalthe andsaturates oversized became Northeast Standardsystems andin North r t i a C a n a d d a n á  e ã a a a i r s d t o e r ã i . ã b , e

s a d 7 c d m a c r v c c l r m e á g c o í d s a i r o c a l e n s t r m o a r o s s e ã m c o t o v l o o 5  P o

a e i i e a m a p o o e m e o n n t t é o a d

 t l e o a i d n n s n l o l p

a e s o j i a r l n g a n f o e e e n a t e  e t l s r a c o e i

l n d m t p i e o e s s t á ç e n a r n e e m , r m e m i i t s n p c  c f a m o r t m d

b r

õ  d  o t ã e e n i a r o l m n s  i t c é e l a o c o d e s a c m e a d s e m o d e a o i t m i m o e e e g p l e t e o r

d a e c a m

i a n n r s é a r r n e m p e e e ê s c

 s s

p r i e n a e . e e m l s o / t g a d i õ o m o o e s

l e

 r m o c n m e a d c 1st Workshop 1st Solar Energy t , i r d e s i

I t s d p r l n e o q d a i e c r m d n e r d r m s e h r a l r r p c a p a  a o e d e p r ‐ t e d o o n 2 a r e g m s a  e v s i s t e s i i t n o d m r a e e a , l ‐ d

i g a p e m ; e á r p i

r o o d  d - e t á o e r a i s e i c R d á e r a e a r ç a e s

 e c t l  s g e t n l r r e c r t i a i c r r e a a c r d o d a e Water Water i t a t r s ã s  e o m e o í i o t a o r c i e e n o l i e l f o i e c m e q v i s i a e d i a  e a n i r a a  m o o p i g m x c o a m r d d m

s s  e n b a c i x c o e  m m d d

l d o s e a d m o

e i , s a e a  e

t  r e a l r s o f   i e l 

l n i e a i d e m a a g g o

, a p o i e e  r g r o t o m r m g o n l

ç l p

a l s l n m s t a v t r r n é â e d o d o i e s l a r e m r i r n ã r t o

ã 3 m e a e o r e i a e á a t m a b ç a

 m n a m s d t v p a e o c e s d s , o a a o 0 o n

n z g d n e r t ã e i

i t i l a a e n s e p

d a  o o m e r t a d ó t c i e 0 a . e t n  e a h e q o t a d c a i d f

s c é a d r d o i r e e n n o i - s s d n a r a i r a a  t t s A o s n  â a

FAPESP e l

a M s e o e q r d n c o i . e ; o r i i : t T a r o o d r o x d

e s d t m m f i m , i  i c o s d q e

r a  o s o N

p f d s a d q r f a

e a

a o m F s e o i q a r e t m

o  s e  n

r a s s s r s o a i e l o  r . a a á f  s p i i e

i c e o t i l m s a a  q i g e c ç s i e g c r e l l m s m p t s f s o e r , o t t

o a q o m i d s c i p c c ã

 e e  t r  s r  c á i g h d o a

d e p n e a p e a e c a r e o e o  r a o v o t e o i o s i r r a n i s a p e

r t d p n i e r . t é a q o e l l õ o q m i ( i a

e i s n v m r

. o d b o d l . e v o s e e ç e a o F

g i l h a m

 n á d e ã i  e r m d t

I d a . e e e o s , n q , n r r a i r 4 m i o s g a

i o o e s ( o d g o i

r

õ e v t P r m m i p a  e g

e s c A r o 6 e

o é  f s ó n s t d  á e

É a s e e e o o o t e r a d e e o c c  a n

é d

a N p

r a t e r r l e c

g s m t n c m e m a r e  n r s i e r e e s a s s e n e v j o a  o c

a i

E e a a i a t l i a , t n i a S e s a s d s a s . p o n n a o d d o s e o q r o 4 à  a p

, E n i t j f  t r

e á i

o n d d t i a l m  t o e m e r i a n n m 2  s

o 7 c m s e m e o  a L d t n o d e r ã m o e e q s 0 r s t m s d o d ) t a o e e á m z t , m r i e d a f e r o g e r

, o b o o t

r

 1 a d e m e l m e c r

b

2 e a é

s v f i q a e a l f 5 s a d a i d e a s é o e

, i i e d h r s a c

o 0 i t p a s d i d - t n n d )  o e ç n s e d p a e

, e m r o i c q a . o e n s a e ; z

1 d a i a s

t a d ã a e

o n e l s a r o l i o o a c 1 e d l kWht/m n 

a r e a e e e m d a r O o o e n f d o

o e ) t i a c

p o n s a p q e ç n e o n e m r m c e m o . t a s r c q c p o

o ,

s , a e t r ã e 4

( r o c  t d o e r

S e o p o P t e d  o t c n n g e n  o o n p a e l i 0 a e á l g o  r i o f r e r a i d o m r 

R e p e o d r n i  ô m t a n e

l  e d ° g n t o l a i d p d m a à t o ê C r s o i ã ,

v c a e O c t c a t c s m n s ‐ p  o a í

v f v c o o r n a a p s o ; a o a a c t i a á m e .  a l s a e l l a a a p r R e

é m e

r o c i m m

i n l m i r t c r c z t o l s o

c

ç N c m m e i n r t E r i o e e E s 2 e a m t o l a d a v o a o e e m o m i e b s o a c e s o a n T l r m s p n a q a m o a a d p

ç n

n n o s

é d s s l

r t i n d i i d a a a d d d  d o

o e c o o o a a a s t t t a m m o o

í i r o o o e e e e e é e e a a a a à a s s s s s s s s r r r r , . , ‐

F s = i o

g c l u a o r r n a i s n u 4 s m 6 = t . a

7 o P l 5 a

r d d o l i i a á t d specific thermal energy production energy thermal specific r r u u o i o ç t s i ã

/ l = m i o z

3 a a 2 0 n ; n

0 t d u e o l a m i t

l u r d p o m e e s

r ; e s a r i n s t e e t u l e a r r g m ç a ã i

a d a o e

t d r

é c e e r o s m r e n e r i s f c v u e a a m r t ê p ó o n o r c r = i i o a á 4 /

r á ( 0 e r r ° a e e C s a ) d e .

e d r v e c a

o p t l l ó e a

t r c o i a o r

5

9

Atlas Brasileiro de Energia Solar Potential for CSP (kWh/m2.year)

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Fast growing PV Distributed Generation Market

Source: ANEEL/ABSOLAR, 2017. Last update: 01/11/2017.

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP PV distribute market • 8114 residential Source: Instituto IDEAL, 2017 • 1541 commercial • 213 industrial

Number of companies in the PV sector

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Installed Capacity of Distributed PV Installations by Consumption Type

Source: ANEEL/ABSOLAR, 2017. Last update: 01/11/2017.

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Prices R$/Wp of distributed PV in 2016

kWp

3.81R$ = 1€

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Large-Scale PV Power Plants in Electricity Auctions

Source: CCEE/ABSOLAR, 2017.

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Location of authorized ventures in PV energy auctions

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP The Brazilian market for flat plates solar heaters

2.000.000 16.000.000 Fast growing: 3rd place in added capacity Area nova 1.800.000 instalada-m2 14.000.000 behind only of Turkey and

1.600.000 Area Acumulada 12.000.000 1.400.000

10.000.000 1.200.000

Para a criação de qalqer cenário econômico é necessário partir de parâmetros como csto do eqipamento, csto da energia axiliar, taxas diversas, inflação, etc. Esses valores, porém, variam mito ao longo dos anos, levando à 1.000.000 8.000.000 imprecisão das estimativas feitas. Por isso, opto‐se por apresentar m cenário de desempenho de m sistema típico no Brasil. Considero‐se o so de:

•coletor de placa plana com cobertra de vidro (crva de eficiência conforme Mathner et al., 2015); 800.000 •volme do reservatório igal ao volme de ága 6.000.000 consmido diariamente; •relação entre volme do reservatório e área de placa 75 litros/m2; •consmo diário de 300 litros de ága aqecida a 40°C; 600.000 •a temperatra da ága fria eqivale à média mensal da temperatra ambiente local.

4.000.000 Calclando a prodção anal de energia em relação à área de

coletores obtém‐se m parâmetro qe pode ser facilmente r

a

l

transformado em resltado financeiro, considerando o preço de o

S

a 400.000 m sistema completo e a tarifa local de energia. Os resltados Figura 46. Produção anual de energia térmica por área de coletor i

g obtidos consideram o so de m sistema padrão para todo o país solar instalada utilizando um sistema de referência (reservatório r

e

= consumo diário = 300 litros; relação reservatório/área de placa n

e, portanto, melhores resltados podem ser obtidos analisando E 2 individalmente cada região. A Figra 46 mostra qe ma maior = 75 litros/m ; temperatura de consumo = 40°C). e

d

o

prodção anal de energia térmica por área de coletor instalada r

i

2.000.000 e

l

não está necessariamente nas regiões de maior incidência de i

s

a

200.000 irradiação solar. Isso ocorre porqe a demanda de energia térmica r

B

é maior em regiões de clima mais frio (Figra 47), fazendo com qe s

a

l

o potencial de aqecimento do sistema seja melhor aproveitado. t Para as regiões de clima mais qente, o sistema adotado nessa A simlação fica sperdimensionado, pois é capaz de fornecer mais energia térmica do qe necessária. Isso também comprova a 0 0 necessidade de dimensionar o eqipamento de acordo com as características climáticas locais. Nas regiões Sdeste e Sl, a maior 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 demanda de energia exige eqipamentos maiores, o qe faz com qe os cstos específicos dos componentes complementares do sistema sejam menores, trazendo maior retorno financeiro a essas regiões. Por otro lado, o correto dimensionamento em climas mais qentes permite ma redção de csto qe pode tornar atraente economicamente sistemas de aqecimento solar, principalmente os de grande porte. É interessante também observar o menor desempenho dos eqipamentos na região Norte provocado pela alta neblosidade.

Obviamente, toda essa discssão é afetada pelos preços cobrados pela energia elétrica, qe é diferente de acordo com a concessionária prestadora do serviço e ajstado analmente pelo agente reglador de acordo com os PRORET ‐ Source: ABRAVA, 2017 Procedimentos de Reglação Tarifária (ANEEL, 2011). 59

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP PV potential from degraded areas

Questões:

- Critério para definir áreas degradadas

- Percentual útil para geração de energia Theoretical potential for solar energy

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Daily electricity consumption curve

Usina Celso Furtado, BA potência instalada de 186 MW

34 Variability – integrated distribution sistem

0,10 0,10 0,10 0,10

0,08 0,08 0,08 0,08

0,06 0,06 0,06 0,06

0,04 0,04 0,04 0,04

0,02 0,02 0,02 0,02

0,00 0,00 0,00 0,00 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

-0,02 -0,02 -0,02 -0,02

-0,04 -0,04 -0,04 -0,04

-0,06 -0,06 -0,06 -0,06

-0,08 -0,08 -0,08 -0,08

-0,10 -0,10 -0,10 -0,10

700 700 700 700

600 600 600 600

500 500 500 500

400 400 400 400

300 300 300 300

200 200 200 200

100 100 100 100

0 0 0 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 5 25 77

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Challenges to Overcome in Developing the potential of Brazilian Solar PV:

• Clear demands (ABSOLAR) - Large-scale PV: auction at least 2 GW per year. – Distributed PV: set a goal of 1,2 million systems (4,5 GW) by 2024. – Establish a national PV goal of at least 30 GW by 2030. • Financing – Improve and diversify financing options for small and large projects. • Taxation – Promote tax exemption of the main PV components and equipment: IPI, PIS, COFINS and ICMS. • Value chain - Improve public awareness - Develop and implement a competitive industrial policy for local manufacturing of PV components and equipment. • Research - Improve solar energy resource assessment methods - Develop new and better methods of solar energy forecast - Expand solar radiation measurement network - Improve the national capacity building

14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP Atlas Brasileiro Atlasd eBrasileiro EnerAgitalda Sseo Blarrasileiro

r

a

l

o

S de

Energia Solar a

i

g Realização r

e

n

E

r

e

a

l

d

o

o

S

r

i

Energia Solar a

i

e

l

i

g

r Realização s

a

e

r

n

B

E

r

s

e

a

a

l

l

d

t

o

o

A

S

r

i

a

i

e

Centro de Ciência do Sistema Terrestre l

i

g

s

r

Realização a

e

r

n

B

E

s

e http://labren.ccst.inpe.br/ a

l

d

t

A

o

r

i

Centro de Ciência do Sistema Terrestre e

l

i

s

a

r

B

s

a

l

t

A Centro de Ciência do Sistema Terrestre Apoio

Apoio

Apoio 14/11/2017 1st Workshop Solar Energy - FAPESP