@PhDThesis{Campos:2021:ExLoRe,
author = "Campos, {\'E}rica Ferraz de",
title = "Hybrid hydro-solar power generation for increasing water and
energy securities in the S{\~a}o Francisco River: exploring local
and regional effects during a severe drought",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2021",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2021-07-23",
keywords = "water-energy nexus, solar power, hybrid power plant, water
security, integrated resources management, nexo {\'a}gua-energia,
energia solar, usina h{\'{\i}}brida, seguran{\c{c}}a
h{\'{\i}}drica, gest{\~a}o integrada de recursos.",
abstract = "Reservoirs of hydropower plants can amend water, energy, and food
securities in semi-arid regions. However, during severe droughts,
the priority of energy demand leads to critical conditions on the
water storage and risk of availability for multiple uses. To
reduce water use for energy, one possible measure is the adoption
of solar power, an abundant energy source in semi-arid regions.
This study assessed the influence of adding a floating
photovoltaic powerplant in the large-scale reservoir of the
Sobradinho hydropower plant, located in the S{\~a}o Francisco
River, in the semi-arid region of Brazil, from 2009-2018. The
simulated scenarios varied the installed solar power capacity from
50 to 1000 MW. For each scenario, water allocation was modified
based on the solar-hydro equivalence that restrained the
historical outflow of Sobradinho to maintain water in the
reservoir. Additionally, a diverse set of rules for the operation
of the reservoirs in cascade installed at the S{\~a}o Francisco
River was adopted to avoid ecological impacts of low streamflow.
The scenarios were assessed in water security, solarhydro
electricity output, capacity factor of the powerplant, and water
and energy losses by evaporation and spilled water. Results show
that a photovoltaic system starting from 250 MW was necessary to
improve water security during the severe drought, reserving
0.7-2.3 years of water demand. Due to the water scarcity, the
scenarios PV-750 and PV-1000 presented the same water storage
level in the reservoirs after 2014, which restricted the influence
of adding solar power. On the energy side, the capacity factor of
the Sobradinho hybrid power plant was optimized from 29% to
34-47%. However, the water allocation of the simulated scenarios
maintained the total electricity generation from the system in
cascade for the solar power plant of 250 MW but reduced by 4.4%
for the 750 MW. Although the reduction in total generation, all
scenarios achieved an increment of the electricity output in the
most critical years of the severe drought. We concluded that the
solar source implied improvements for water and energy securities
in the range of 250-750 MW. Additionally, we discussed
opportunities and limitations in social, environmental, and
economical aspects. This information can support decisions on the
operation of water and energy supply systems and subsidize the
proposal of public policies and guidelines for governance focused
on integrated resources management in semi-arid regions. RESUMO:
Reservat{\'o}rios de usinas hidrel{\'e}tricas podem alterar a
seguran{\c{c}}a h{\'{\i}}drica, energ{\'e}tica e alimentar em
regi{\~o}es semi{\'a}ridas. No entanto, durante secas severas, a
prioridade na gest{\~a}o de {\'a}gua para produzir energia
conduz a condi{\c{c}}{\~o}es cr{\'{\i}}ticas no estoque de
{\'a}gua e risco na disponibilidade para os diversos usos. Para
reduzir o uso de {\'a}gua para fins energ{\'e}ticos, uma
poss{\'{\i}}vel medida reside em adotar a fonte solar, abundante
recurso em regi{\~o}es semi{\'a}ridas. Este estudo avaliou a
influ{\^e}ncia da adi{\c{c}}{\~a}o de usina fotovoltaica
flutuante no reservat{\'o}rio da usina hidrel{\'e}trica de
Sobradinho, localizada no rio S{\~a}o Francisco, na regi{\~a}o
semi{\'a}rida do Brasil, no per{\'{\i}}odo 2009-2018. Os
cen{\'a}rios simulados variaram a capacidade instalada de
gera{\c{c}}{\~a}o fotovoltaica entre 50 e 1000 MW. Para cada
cen{\'a}rio, a aloca{\c{c}}{\~a}o de {\'a}gua foi modificada
com base na equival{\^e}ncia h{\'{\i}}drica-solar para
restringir a vaz{\~a}o hist{\'o}rica de Sobradinho e manter
{\'a}gua no reservat{\'o}rio. Al{\'e}m disso, foram adotadas
regras de opera{\c{c}}{\~a}o dos reservat{\'o}rios em cascata
instalados no rio S{\~a}o Francisco para evitar impactos
ecol{\'o}gicos advindos da baixa vaz{\~a}o praticada no
per{\'{\i}}odo. Os cen{\'a}rios foram avaliados por indicadores
de seguran{\c{c}}a h{\'{\i}}drica, produ{\c{c}}{\~a}o
combinada de eletricidade pelas fontes solar e hidrel{\'e}trica,
fator de capacidade da usina h{\'{\i}}brida, e perdas de
{\'a}gua e energia potencial por evapora{\c{c}}{\~a}o e
deflu{\^e}ncia de {\'a}gua sem turbinamento. Os resultados
mostram que uma planta fotovoltaica com porte superior a 250 MW
seria necess{\'a}ria para melhorar a seguran{\c{c}}a
h{\'{\i}}drica durante a seca severa, reservando o equivalente a
0,7-2,3 anos da demanda de {\'a}gua. Devido {\`a} escassez
h{\'{\i}}drica, nos cen{\'a}rios PV-750 and PV-1000 os
reservat{\'o}rios apresentaram niveis similares de estoque de
{\'a}gua ap{\'o}s 2014, o que limitou a influ{\^e}ncia da
planta solar. No quesito energia, o fator de capacidade da usina
h{\'{\i}}brida de Sobradinho foi otimizado de 29% para 34-47%.
Entretanto, a aloca{\c{c}}{\~a}o de {\'a}gua nos cen{\'a}rios
simulados manteve a gera{\c{c}}{\~a}o total de eletricidade do
sistema em cascata com a planta solar de 250 MW, por{\'e}m houve
redu{\c{c}}{\~a}o de 4,4% com a planta solar de 750 MW. Apesar
da diminui{\c{c}}{\~a}o total, todos os cen{\'a}rios obtiveram
incremento da gera{\c{c}}{\~a}o hidrel{\'e}trica nos anos mais
cr{\'{\i}}ticos da seca. Conclu{\'{\i}}mos que a
ado{\c{c}}{\~a}o da fonte solar influenciou a
condi{\c{c}}{\~a}o h{\'{\i}}drica do rio S{\~a}o Francisco,
com melhorias da seguran{\c{c}}a h{\'{\i}}drica e
energ{\'e}tica na faixa de plantas solares de 250 a 750 MW.
Adicionalmente, foram discutidas oportunidades e
limita{\c{c}}{\~o}es em aspectos sociais, ambientais e
econ{\^o}micos. Essas informa{\c{c}}{\~o}es podem subsidiar
decis{\~o}es da opera{\c{c}}{\~a}o de sistemas de abastecimento
de {\'a}gua e energia, bem como subsidiar a
proposi{\c{c}}{\~a}o de pol{\'{\i}}ticas p{\'u}blicas e
orientar medidas de governan{\c{c}}a voltadas {\`a} gest{\~a}o
integrada de recursos em regi{\~o}es semi{\'a}ridas.",
committee = "Ometto, Jean Pierre Henry Balbaud (presidente) and Pereira, Enio
Bueno (orientador) and Oel, Pieter Richard Van (orientador) and
Souza Filho, Francisco de Assis de and Martins, Fernando Ramos",
englishtitle = "Gera{\c{c}}{\~a}o de eletricidade por usina h{\'{\i}}brida
solar-h{\'{\i}}drica para aprimoramento das seguran{\c{c}}as
h{\'{\i}}drica e energ{\'e}tica no Rio S{\~a}o Francisco:
efeitos locais e regionais durante seca severa",
language = "en",
pages = "154",
ibi = "8JMKD3MGP3W34T/454UTPB",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34T/454UTPB",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "07 maio 2024"
}