Estimativa do potencial global de energia solar com base em satélites

• Com a demanda por energia crescendo rapidamente, o Google ampliou o alcance da avaliação solar por telhado do Solar API para regiões do Global South onde faltam imagens aéreas, usando ML com base em imagens de satélite
• A abordagem central estima as informações de forma do telhado necessárias para posicionamento de painéis e análise de sombreamento, criando um modelo digital de superfície (DSM) e um mapa de segmentação de telhados a partir de uma única imagem de satélite
• Com esta expansão, foram adicionados dados do Solar API para 125 milhões de edifícios em 23 países, e a cobertura potencial com base nas imagens de satélite atualmente disponíveis cresceu para 1,9 bilhão de edifícios no mundo
• O modelo mostra desempenho estável usando apenas entrada RGB, o que permite aplicá-lo também em regiões sem DSM de entrada baseado em estereoscopia; os erros excepcionais no Chile e nas Filipinas são atribuídos a dados de referência com ruído
• Resolução de pixel de entrada, nuvens e oclusões ainda limitam a qualidade da saída, e os próximos desafios incluem detecção de obstáculos, detecção de material do telhado e identificação de painéis solares já instalados

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Barreiras à avaliação solar que o Solar API busca resolver

• Espera-se que a demanda por energia cresça bastante nos próximos anos, e a geração solar deverá produzir 10,7k TWh globalmente em 2035, representando quase 28% da demanda total prevista
• A energia solar residencial é um dos principais meios de responder de forma sustentável ao aumento da demanda
• Em algumas regiões do Global South, barreiras à adoção da energia solar continuam devido ao acesso limitado a financiamento, tecnologia e infraestrutura
• Avaliar a viabilidade solar no nível de cada edifício exige considerar várias variáveis, o que pode ser oneroso tanto para proprietários quanto para empresas
• O Google Maps Platform Solar API usa imagens aéreas para fornecer informações essenciais por telhado e simplificar a avaliação do potencial solar e o projeto do sistema

Base de dados do Solar API existente

• O Solar API foi lançado em 2023 dentro das Environment APIs do Google Maps Platform
• Ele processa imagens aéreas, dados meteorológicos e dados financeiros para fornecer as seguintes informações
  • Dados solares do edifício
  • Imagens detalhadas do telhado
• No início de 2024, técnicas de ML foram aplicadas ao pipeline de processamento, oferecendo insights solares para milhões de edifícios adicionais nos Estados Unidos, Europa e Japão
• Esses dados podem ser usados por empresas para criar informações personalizadas sobre potencial solar, posicionamento otimizado de painéis, propostas e orçamentos remotos, e programas de incentivo orientados por dados

Cobertura ampliada no Global South com imagens de satélite

• Para atender à demanda por dados solares no Global South, o Google aplicou técnicas de ML a imagens de satélite
• As imagens de satélite têm resolução mais baixa do que as imagens aéreas, o que traz várias limitações
  • falta de mapas de elevação precisos
  • menor qualidade de imagem
  • distorções geradas por ângulos de observação oblíquos
• Em compensação, elas permitem expandir a cobertura globalmente e atualizar os dados com mais frequência até mesmo em regiões já bem mapeadas, como Estados Unidos e Europa
• Os dados experimentais são fornecidos por meio do Solar API Expanded Coverage Testing Program, e alguns instaladores solares já estão usando as saídas de dados
• Com esta expansão, foram adicionados dados do Solar API para 125 milhões de edifícios em 23 países
  • a cobertura potencial com base nas imagens de satélite atualmente disponíveis foi ampliada para 1,9 bilhão de edifícios no mundo
  • mais edifícios poderão ser adicionados à medida que satélites continuarem capturando novas regiões
  • a cobertura mais recente pode ser consultada no mapa de cobertura do Solar API

Pipeline de ML para criar DSM e segmentação de telhados

• O pipeline de geração de dados solares precisa de um DSM de alta qualidade para criar segmentos planos de telhado para o cálculo dos painéis
• Os métodos existentes de geração de DSM por satélite têm limitações
  • imagens de satélite de alta resolução, abaixo de 1 m, têm alto custo de captura
  • o número de pontos de vista disponíveis para uma região específica pode ser limitado, com grandes intervalos de tempo entre eles
  • devido à baixa resolução, técnicas existentes de segmentação de telhados também têm menor precisão em dados de satélite
• O novo modelo de ML gera, a partir de uma única imagem de satélite, um DSM de alta qualidade em visão nadir, ou seja, ortogonal, e instâncias de segmentos planos de telhado
• A metodologia está descrita no artigo “Satellite Sunroof: High-res Digital Surface Models and Roof Segmentation for Global Solar Mapping”, publicado no workshop Climate Change and AI da NeurIPS 2024

Arquitetura do modelo em 2 estágios

• O modelo gera DSM e segmentos de telhado em 2 estágios: base model e refinement model
• O primeiro estágio, o base model, usa como entrada imagens RGB de satélite off-nadir e o ângulo de observação do satélite
  • onde disponível, também inclui opcionalmente DSM-DTM, um mapa de altura relativa de baixa qualidade baseado em fotogrametria
  • o DSM inicial de entrada tem cobertura limitada e resolução insuficiente para cálculos detalhados de telhado
  • usa uma arquitetura no estilo U-Net com codificador Swin Transformer
  • gera um mapa de altura aprimorado e instâncias de segmentos de telhado a partir da perspectiva off-nadir
  • depois, os resultados são convertidos para nadir view por meio de reprojeção baseada em geometria
• O segundo estágio, o refinement model, preenche lacunas e artefatos gerados no processo de reprojeção e melhora o RGB nadir, o DSM e as instâncias de segmentos
• Para estimar o DSM, são usados perda L1 e perda de gradiente Sobel; para segmentação de telhados, é usada perda de affinity mask

Resultados da avaliação e condições de entrada

• O modelo foi avaliado quantitativamente com várias métricas
  • erro absoluto médio (MAE) do DSM
  • erro de inclinação do telhado
  • IOU das instâncias de segmentos de telhado
• Os resultados de DSM e inclinação foram comparados com DSMs aéreos de alta qualidade
• Os rótulos de segmentos de telhado foram obtidos de duas formas
  • calculados aplicando graph-cut aos rótulos de DSM
  • anotados manualmente por pessoas
• Os resultados foram divididos em dois grupos conforme os canais de entrada
  • RGB-only: correspondente à cobertura global
  • RGB+DSM: correspondente a regiões limitadas com DSM de entrada baseado em estereoscopia
• Adicionar um DSM de baixa qualidade melhora a previsão de sombreamento capturada pelo MAE do DSM de edifícios
• No entanto, esse DSM de baixa qualidade não aumenta de forma significativa a segmentação de telhados nem a precisão de inclinação, que são mais importantes para estimar o potencial solar
• O desempenho também é forte com entrada apenas RGB, permitindo aplicar o modelo em qualquer região com imagens RGB de satélite
• A variação de erro por país foi pequena, e as exceções no Chile e nas Filipinas decorrem de dados de referência com ruído
• Em resumo, o modelo consegue se adaptar a regiões com diferentes estilos arquitetônicos, tamanhos de edifícios e estruturas complexas de telhado

Resultados de visualização e limitações restantes

• As visualizações de previsão em várias regiões mostram juntos o RGB nadir, o DSM nadir e as instâncias de segmentos de telhado nadir
  • Ayodhya, Índia
  • Kuala Lumpur, Malásia
  • Adelaide, Austrália
• Em regiões com telhados planos, o DSM captura obstáculos e a superfície do telhado com alta precisão
• Em regiões com telhados inclinados, o modelo prevê de forma eficaz a linha de cumeeira do telhado, importante para o posicionamento dos painéis
• Embora o DSM possa não capturar a forma detalhada de árvores individuais, as informações de altura das árvores são usadas para analisar o impacto de sombreamento em telhados vizinhos
• As saídas do modelo com base em satélite foram comparadas com os dados aéreos de alta qualidade atualmente usados no Solar API, e a previsão anual de fluxo solar foi visualizada sobreposta às imagens RGB de satélite
• A qualidade da saída ainda tem limitações
  • resolução de pixel de entrada
  • nuvens
  • artefatos de oclusão
• O Google segue melhorando a precisão com pesquisa e feedback dos usuários
• As pesquisas futuras incluem detecção de obstáculos, detecção de material do telhado e identificação de painéis solares existentes

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Comentários do Hacker News

• Do ponto de vista de quem já pesquisou a disponibilidade de DSM no mundo todo, a Solar API do Google é uma das candidatas mais promissoras.
  A outra opção são os levantamentos LiDAR dos governos, mas cobertura, formatos de arquivo, sistemas de coordenadas etc. variam muito.
  Seria ótimo se a comunidade de mapas criasse um dataset global de tiles de DSM, parecido com os datasets de tiles de elevação do terreno usados para curvas de nível ou visualizações 3D de relevo.
  Talvez alguém já esteja fazendo isso, mas é uma pena que as áreas mencionadas no texto sejam apenas áreas potenciais onde um DSM pode ser gerado, não lugares onde os dados de fato já existem.

  • DSM é a sigla de Digital Surface Model?
    Essa sigla é usada com tantos sentidos diferentes que seria bom escrever o nome completo pelo menos uma vez.

• É verdade que isso melhora de forma muito impressionante as ferramentas existentes, mas me pergunto se cálculos avançados como a inclinação do telhado ainda fazem sentido.
  Acho que a conclusão já foi que inúmeras instalações solares em telhados individuais são quase a pior forma de fazer isso, porque licenciamento e instalação são complexos e caros, a eficiência operacional é baixa, e reparos, seguro, upgrades e integração com a rede também são difíceis.

  • Como alguém que ficou semanas sem eletricidade e água depois do Helene, não se deve subestimar a força de uma rede elétrica distribuída.
    Infraestrutura essencial distribuída aumenta muito a resiliência climática, então isso não pode ficar de fora do cálculo de eficiência.
  • A vantagem da energia solar distribuída é que ela pode entrar em operação imediatamente e, quando instalada junto com baterias, pode tornar uma casa quase autossuficiente, dependendo do clima e do tipo de aquecimento.
    Já as usinas solares de grande escala, que em geral são mais eficientes, precisam lidar com problemas como fila de conexão à rede e falta de capacidade da rede.
    Claro que a energia solar distribuída não é uma solução geral para descarbonizar todo o sistema energético, mas ela tem um papel significativo, e não há motivo para não fazer as duas coisas.
  • A Austrália instala energia solar em telhados por menos da metade do custo dos EUA e consegue integrar grandes volumes à rede elétrica.
    Por volta do meio-dia de hoje, quase 50% da geração da rede elétrica nacional vinha de solar em telhados, e cerca de mais 10% vinha de solar em escala de utilidade pública.
    Se as concessionárias não atrapalharem ativamente seu uso, a energia solar em telhados funciona muito bem.
  • Dito de outra forma, ela oferece uma taxa de retorno que um proprietário de classe média comum costuma aceitar e, em alguns mercados, chega a fazer fontes sujas fecharem as portas ou fazerem lobby pesado para obter apoio por meio da política.
    Um exemplo está aqui: https://www.theguardian.com/environment/article/2024/sep/08/...
    O perfeito é inimigo do bom.
  • Pelos dados, é correto dizer que a solar em telhados é ineficiente.
    A solar em escala de utilidade pública fornece eletricidade barata, mas a solar residencial em telhados não, e provavelmente continuará não fornecendo.
    O preço da solar em telhados costuma ficar escondido, porque nenhuma fonte de energia recebeu tantos subsídios quanto ela.
    Além dos subsídios diretos, proprietários ricos muitas vezes são compensados ao preço de varejo pela eletricidade que vendem à rede, o que cria uma espécie de Robin Hood ao contrário, elevando a conta de luz de quem não tem condições de colocar painéis no telhado.
    Um relatório da statista.com também diz que, nos EUA, a solar residencial em telhados e a nuclear têm os maiores custos nivelados de energia sem subsídios, e que, sem subsídios, a solar em telhados custa de 117 a 282 dólares por MWh: https://www.statista.com/statistics/493797/estimated-leveliz...
    O relatório parece ter dados de um ano atrás, mas, embora o preço dos painéis tenha caído, custos como mão de obra não caíram muito, então não parece que o custo de instalação tenha diminuído drasticamente.

• Realmente impressionante.
  Se adicionassem tarifas locais de eletricidade para estimar a economia anual, isso poderia virar um ponto de partida para uma conversa até com proprietários que nunca tinham considerado energia solar residencial.

  • Calculando sem subsídios em um país do norte, a viabilidade econômica não é tão atraente quanto se imagina.
  • Algo assim? https://sunroof.withgoogle.com/

• O processamento de imagens descrito no texto é muito legal, mas tenho dúvidas sobre a aplicação.
  O Google vem fazendo esse tipo de estimativa de potencial solar há cerca de 10 anos; se assumirmos que eles começaram a desenvolver o recurso por volta de 2010, nesse meio-tempo o custo dos painéis solares caiu por um fator de um dígito.
  Então a resposta para onde instalar solar já não está definida? Eu achava que hoje a resposta era “sim, em qualquer lugar”.

  • Mesmo que o objetivo seja cobrir 100% dos telhados com painéis solares, a capacidade de matérias-primas, mão de obra e infraestrutura é limitada, então ainda é preciso priorizar onde alocar em cada momento.
  • Muitas casas novas ainda são construídas sem solar.
    Ou os participantes do mercado estão deixando dinheiro fácil na mesa, ou a resposta simplesmente não é “sim, em qualquer lugar”.
    O custo dos painéis caiu bastante, mas, nos EUA, hardware de fixação e instalação ainda são bem caros.

• Sou cético em relação a colocar painéis solares em telhados.
  Parece trabalhoso e muito mais caro do que instalar em terreno plano: https://en.wikipedia.org/wiki/Bhadla_Solar_Park
  O dinheiro extra gasto nisso poderia ter ajudado a instalar mais energia solar ou baterias.

  • Em geral é verdade, mas, por causa de impostos, regulação e problemas reais da rede elétrica, é mais fácil consumir diretamente a eletricidade produzida do que vendê-la à rede.
    Em ambientes urbanos, a maioria dos terrenos das casas é limitada, então o telhado pode ser o único local de instalação.
    Se houver espaço suficiente, de quase todos os pontos de vista o telhado é um lugar pior do que o solo.
  • Um sistema solar no telhado permite produzir e consumir energia diretamente.
    A Alemanha já tem grandes problemas de transmissão de eletricidade a longas distâncias.
    Hoje, solar e baterias estão muito baratos, então independência e liberdade prática vêm por padrão.
    Se a ideia for impedir o uso de espaço valioso no solo, a instalação em terra também é possível, mas prefiro telhados, que não têm essa perda.
    Ao lado de rodovias ou em locais inteligentes, instalações em solo também são boas.
    Mas, quando invisto na minha casa, não quero subsidiar a energia solar de outra pessoa.

• Estimativa baseada em uma casa em San Francisco com um telhado típico e uma conta de luz típica
  Se o custo inicial for de US$ 20 mil e a economia em 20 anos for de US$ 4 mil, isso significa um retorno anual de 0,9%
  Vou passar

  • Como isso foi calculado? O custo de instalação solar é de cerca de US$ 2,50 a US$ 3,50 por watt, então, com US$ 20 mil, dá para instalar 6 a 8 kW
    Assumindo que a produção real seja 10% da capacidade, isso dá 14 a 19 kWh por dia, ou 5.000 a 7.000 kWh por ano
    A tarifa residencial atual de eletricidade em San Francisco é de 38,9 centavos por kWh[1], então a economia anual seria de US$ 2.000 a US$ 2.700; em 20 anos, US$ 40 mil a US$ 54 mil
    A economia real vai variar conforme o consumo nos horários de pico, mas não parece que o cálculo esteja errado por um fator de 10
    1. https://www.bls.gov/regions/west/news-release/averageenergyp...
  • Esse cálculo inclui instalação com bateria? Com o NEM3 e tarifas de compensação de energia mais baixas, na Califórnia não faz sentido instalar só solar sem bateria
  • Atualmente há um crédito fiscal de 30% para instalações solares
    Então US$ 20 mil, na prática, viram US$ 12 mil, e a conta fica um pouco melhor
    E foi considerada a alta das tarifas de eletricidade ao longo de 20 anos? Não acho que a eletricidade vá ficar mais barata
  • Como ex-eletricista, vi de perto o impacto que apagões têm na vida das pessoas, então esse tipo de argumento sempre me parece míope
    Na região do nordeste dos EUA onde vivi, apagões prolongados estragam milhares de dólares em alimentos, causam dezenas de milhares de dólares em prejuízos por alagamento de porões e, no inverno, fazem a temperatura cair abaixo de zero, congelando encanamentos e provocando danos ainda maiores em prédios inteiros
    Quando o setor de seguros entender os benefícios do armazenamento local de energia, acabará reduzindo o prêmio de casas com armazenamento local de energia
    Acho engraçado ver cálculos puramente financeiros sem enxergar o quadro maior de como a vida é afetada quando o interruptor não acende
    Também projetei muitos sistemas de software de alta disponibilidade, e o ponto de partida básico de qualquer sistema sempre foi energia
    A maior parte da sociedade presume que o interruptor sempre vai acender a luz, mas, quando isso não acontece, é que se começa a perceber o que a “rede elétrica centralizada” realmente é
    Como a Califórnia anunciou recentemente que pretende tornar obrigatórios solar e armazenamento em novas residências após 2026, a descentralização da rede elétrica já está em andamento
    Por enquanto, indivíduos podem fingir que a questão da energia não existe, mas, quando os problemas se acumularem, todo mundo acabará tendo que participar
    É a diferença entre agir de forma preventiva ou reativa; quando realmente se tornar necessário, já será tarde
  • Já ouvi falar de um modelo de negócio em que instalam esse tipo de equipamento para você, e você paga à empresa a diferença na conta de luz até ela recuperar o custo da instalação
    Só não sei se a vida útil dos painéis é longa o bastante para esse modelo fechar

• Artigo relacionado: Global Solar Power Potential Map - https://news.ycombinator.com/item?id=40303570 - maio de 2024

• Um uso interessante de satélites daqui para frente será estimar com precisão a geração solar no futuro próximo, por exemplo na próxima 1 hora, para que operadores da rede elétrica ajustem armazenamento e demanda para manter o equilíbrio
  Hoje não dá para fazer essa previsão porque não se sabe onde estão os painéis solares em relação às nuvens que passam

  • Parece possível obter esses dados a partir de solicitações públicas de licenças
    Se não der, é só raspar imagens do Google Maps e treinar um modelo de IA
    Eu ficaria surpreso se já não houvesse alguém fazendo isso

• O modelo em que cada indivíduo tem seus próprios painéis solares cria vários problemas
  Cerca de 1/4 a 1/3 da conta de luz corresponde a custos de distribuição, e, quanto menos energia se puxa da rede por causa da solar no telhado, maior essa fatia fica
  Ao mesmo tempo, a concessionária fatura menos porque o usuário consome menos eletricidade, e também sobra menos dinheiro para investir em distribuição
  Então, para continuar operando, ela precisa aumentar ainda mais as tarifas de distribuição
  Some a isso o NIMBY, os custos de licenciamento e o problema de que, neste país, não se consegue construir nada sem motivo aparente, e os custos de distribuição estão inflando de modo geral
  Em uma casa onde todos têm solar no telhado, na prática você acaba pagando ao operador da rede apenas pela energia suja ou fora do horário de pico
  Aí o operador parece ruim por fora, o usuário fica irritado dizendo “por que minha conta de luz é tão cara se uso tão pouca eletricidade?”, e a política pressiona para usar energia limpa
  Mas o operador precisa fornecer energia 24 horas por dia preso entre limites de lucro, geração limpa cara fora do pico, usinas caras que ficam ociosas metade do tempo e falta de caixa
  A solar residencial não cobre todas as 24 horas, então as pessoas precisam de eletricidade 24 horas por dia, e em muitas regiões é até ilegal vender uma casa que não esteja conectada à rede
  Portanto, o consumidor precisa pagar pela opção de usar eletricidade fora do pico, e todo mundo fica insatisfeito
  A vantagem é que a resiliência da rede elétrica pode aumentar, mas, como outros disseram, isso só é possível com grandes investimentos na distribuição local
  É preciso conseguir devolver energia da casa para a rede de forma muito dinâmica e granular, e isso é um grande investimento de capital que o operador da rede tem dificuldade para bancar
  No fim, é um problema derivado do fato de que espalhar pequenos painéis solares por toda parte é tremendamente ineficiente, porque não dá para baratear instalação, limpeza, manutenção e substituição
  É muito mais barato por watt instalar muitos painéis em um único terreno barato no deserto e enviar a energia pela rede de distribuição existente
  De um jeito ou de outro, todo mundo acabará pagando esse custo de resiliência na conta de luz

  • Se realmente fosse muito mais barato concentrar painéis em terras baratas no deserto e enviar pela rede de distribuição existente, ninguém compraria solar residencial
    A energia da rede seria “muito mais barata” e não valeria a pena instalar
    Portanto, ou isso não é verdade, ou as concessionárias estão tão ocupadas cobrando preços abusivos que criaram para si mesmas uma situação impossível, odiada por todos
  • Ponto válido
    Mesmo que hoje seja caro demais, existe alguma solução conhecida?
    Faria sentido uma concessionária local migrar totalmente para solar com grandes baterias de backup? Ou as baterias ainda são caras demais ou têm vida útil curta demais para isso ser viável?
    E uma combinação de eólica + solar? É improvável que as duas parem ao mesmo tempo
    Li que os custos de eólica e solar estão caindo rapidamente a cada ano, e o mesmo vale para a tecnologia de baterias
    Quanto tempo falta até que o custo caia o bastante para uma cidade ter sua própria rede elétrica confiável baseada em renováveis?
  • Vendo tudo isso, os sistemas distribuídos de armazenamento de energia vão destruir completamente as utilities elétricas atuais

• Seria bom se isso ajudasse as pessoas a obter energia mais barata
  Só para fazer uma pequena observação, a expressão “10,7k TWh no mundo todo” me lembra de quando alguém tentou abreviar “thousand kilometres” como “kkm” no passado e acabou desistindo
  E, embora isso não seja uma crítica ao Google, olhando o link da IEA nessa frase, parece suspeito que a IEA ainda esteja prevendo a adoção de energia solar de 2025 a 2035 de forma linear
  Mesmo depois de, por pelo menos 10 anos, as pessoas apontarem que historicamente ela cresceu de forma exponencial e perguntarem por que não assumir que a exponencial continuaria
  Se a tendência continuar, em 2035 eu esperaria que a energia solar ficasse em cerca do dobro dos números da IEA

  • É realmente estranho, mas é verdade
    Referências: https://www.economist.com/interactive/essay/2024/06/20/solar...
    https://www.exponentialview.co/p/the-forecasters-gap
    Texto de 7 anos atrás: https://xwpxpfefwalgifkr.quora.com/A-modest-proposal-to-the-...
  • Perguntando para quem está começando: o que há de confuso nisso? Parece transmitir exatamente o significado pretendido
    Existe alguma ambiguidade que eu deixei passar?
  • Tanto uma previsão linear quanto usar diretamente a taxa atual de crescimento exponencial têm grande chance de errar feio
    Se assumirmos que o crescimento atual é de 26% ao ano e que ele cai 2 pontos percentuais por ano, chegando a 24% no ano que vem, então a instalação anual daqui a 10 anos será 4,25 vezes a do ano passado, e a instalação acumulada nos próximos 10 anos será 2,8 vezes a estimativa linear
    Pessoalmente, acho que isso parece uma estimativa aproximada razoável
    Mas, dependendo de quanto o armazenamento na rede elétrica se disseminar, o fator de capacidade pode cair bastante ou se manter razoavelmente estável, então é uma incógnita
  • Não gosto de expressões como “10,7k TWh globally”, mas ao mesmo tempo talvez eu tivesse entendido de primeira se tivessem escrito “10,7 PWh no mundo todo”
    Não somos expostos com frequência a números nessa escala
    Não sei bem qual é a solução correta
  • O Sistema Internacional de Unidades é realmente um sistema sem pé nem cabeça
    Prefixos de unidades não foram uma boa ideia
    Deslocaram a vírgula decimal ou simplesmente trocaram para “Mm”?