Uma equipe de pesquisadores do Centro Tecnológico CIRCE, da Espanha, concluiu que não existe uma única estratégia ideal de gestão de energia para sistemas de irrigação alimentados por energia fotovoltaica.
Os cientistas explicaram que a melhor configuração depende de o principal objetivo ser maximizar a autossuficiência energética ou reduzir os custos operacionais.
O estudo, realizado no âmbito do projeto europeu HarvRESt, analisa um sistema real de irrigação instalado em um vinhedo espanhol. A instalação inclui um sistema fotovoltaico de 112 kW e seis bombas de irrigação. Utilizando um modelo de otimização baseado no tempo ao longo de um período de um ano, os pesquisadores compararam três cenários de gestão de energia: armazenamento em baterias, armazenamento hidráulico por meio de um reservatório de água e uma combinação das duas tecnologias.
O sistema de irrigação original utilizava a eletricidade fotovoltaica diretamente para o bombeamento ou exportava o excedente para a rede por meio de um mecanismo de compensação. Ele não contava com capacidade de armazenamento elétrico nem hidráulico.
Para a análise, os pesquisadores mantiveram a capacidade fotovoltaica existente e modelaram três configurações alternativas: um sistema de armazenamento em baterias; um reservatório para armazenar água bombeada durante períodos de elevada geração solar para uso posterior na irrigação; e um sistema combinado de armazenamento em baterias e armazenamento hidráulico. Cada cenário foi avaliado com base em dois objetivos de otimização: minimizar a importação de eletricidade da rede e minimizar os custos operacionais totais.
Os pesquisadores aplicaram um modelo de programação linear inteira mista (MILP) dentro de uma estrutura de controle preditivo baseado em modelo (MPC) para determinar o despacho ótimo de energia em base horária.
O modelo incorporou a geração fotovoltaica, a demanda das bombas de irrigação, as necessidades hídricas da cultura, a operação dos sistemas de armazenamento, os preços da eletricidade e os valores de compensação pela exportação do excedente de energia.
As necessidades de irrigação foram calculadas utilizando dados meteorológicos horários do ERA5-Land e imagens do satélite Sentinel-2 processadas por meio do Google Earth Engine. Essa abordagem permitiu aos pesquisadores estimar dinamicamente o coeficiente de cultura do vinhedo e a demanda horária de água.
Armazenamento combinado maximiza a autossuficiência
Quando o objetivo da otimização foi reduzir as importações de eletricidade da rede, a configuração combinando armazenamento em baterias e armazenamento hidráulico apresentou os melhores resultados.
Nesse cenário, as baterias deslocaram o uso da eletricidade fotovoltaica ao longo do mesmo dia, enquanto o reservatório armazenou água bombeada durante os períodos de maior geração solar para utilização posterior na irrigação. Isso aumentou a flexibilidade operacional e reduziu a dependência da eletricidade da rede.
A configuração alcançou a maior redução nas importações de eletricidade e praticamente eliminou a exportação do excedente de energia fotovoltaica, maximizando o uso direto da energia solar.
Armazenamento hidráulico apresenta melhor desempenho econômico
Os resultados mudaram quando o objetivo da otimização passou a ser a redução dos custos operacionais.
Nesse caso, o armazenamento hidráulico apresentou o melhor desempenho econômico. Em vez de maximizar o autoconsumo, o sistema utilizou a flexibilidade do bombeamento para adaptar sua operação à disponibilidade da geração fotovoltaica, aos preços da eletricidade e às condições de compensação pelo excedente.
Os pesquisadores verificaram que o armazenamento de água proporcionou o melhor equilíbrio entre a redução da compra de eletricidade e a manutenção das receitas obtidas com a exportação da energia excedente.
A vantagem econômica do armazenamento hidráulico está relacionada a diversos fatores. Ao contrário das baterias, os reservatórios não envolvem perdas adicionais associadas aos processos de carga e descarga elétrica. Além disso, a flexibilidade proporcionada pela água armazenada foi suficiente para desacoplar a geração fotovoltaica da demanda de irrigação, limitando o valor adicional oferecido pelas baterias nessa aplicação específica.
Investimento em baterias continua sendo um desafio econômico
O estudo também incluiu estimativas de investimento (capex) e calculou o período simples de retorno das tecnologias de armazenamento.
O armazenamento hidráulico apresentou um período de retorno de aproximadamente 8,2 anos. Em contraste, o armazenamento em baterias não foi considerado economicamente viável, pois a economia adicional gerada não foi suficiente para compensar o custo do investimento.
Os pesquisadores concluem que a estratégia ideal de armazenamento para irrigação fotovoltaica depende das prioridades do sistema: o armazenamento combinado é a melhor opção quando o objetivo é maximizar a independência energética, enquanto o armazenamento hidráulico apresenta o melhor desempenho econômico.
Os resultados foram apresentados no artigo “Energy Management Optimization in Photovoltaic-Powered Irrigation Systems: A Comparative Analysis of Electrical and Natural Storage Strategies”, publicado na revista Sustainability.
