Annual Assessment of Theoretical Wind and Wave Energy Potentials and their Complementarity for the Southwestern Region of the South Atlantic

Authors

  • Ana Carolina Ferreira da Costa Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Geociências, Programa de Pós-Graduação em Meteorologia https://orcid.org/0009-0004-9089-6695
  • Luiz Paulo de Freitas Assad Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Geociências, Programa de Pós-Graduação em Meteorologia https://orcid.org/0000-0003-2891-1036
  • Anderson Elias Soares Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa em Engenharia, Programa de Engenharia Civil https://orcid.org/0000-0001-7544-0535
  • Lívia Maria Barbosa Sancho Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa em Engenharia, Programa de Engenharia Civil https://orcid.org/0000-0001-9925-4841
  • Milad Shadman Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa em Engenharia, Programa de Engenharia Naval e Oceânica https://orcid.org/0000-0003-0951-1977

DOI:

https://doi.org/10.11137/1982-3908_2026_49_67642

Keywords:

Offshore wind–wave complementarity, Southeast and South regions of Brazil, ERA5

Abstract

The energy matrix in the world, as in Brazil, has as its main raw material oil and its derivatives. However, in relation to the world, Brazil stands out in the generation of electric energy through the use of renewable sources, as input, with the use of hydroelectric plants standing out. However, Brazil suffers from successive water crises, therefore, aspiring to diversify the energy matrix, and consequently the electric matrix, it is necessary to study other renewable energy sources available in the country. The objective of this study is, through the reanalysis of the Fifth ECMWF Global Reanalysis (ERA5), to quantify the theoretical wind and wave potentials, and their possible energy complementarity. The study region covers the Southwest Region of the South Atlantic Ocean, including the Brazilian coast of the Southeast and South Regions, within the domain of the Exclusive Economic Zone. Data with monthly temporal resolution were used, for the period 1991-2020. To calculate the magnitude of the winds at 100 m above the surface, the Logarithmic Profile Law was used, and the results showed that annually, the South Region, on the coast between the states of Santa Catarina and Rio Grande do Sul (30° -36°S, 045°-055°W), has the greatest energy potential from the winds. The analysis of the theoretical potential of the waves showed that the South Region has the greatest energy potential from the waves. Finally, the maximum values ​​of Wave Power Density found were higher than the minimum limits determined (P = 5 kW/m), observing that the generation of energy from the waves is always capable of complementing the generation of wind energy. While the wind generation showed low capacity to complement the generation of waves, almost zero in the entire study region.

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Author Biographies

Ana Carolina Ferreira da Costa, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Geociências, Programa de Pós-Graduação em Meteorologia

Meteorologista, formada em 2019 pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e atualmente, cursando o Mestrado no Programa de Pós-Graduação em Meteorologia (PPGM-UFRJ). Desenvolvimento de atividades de Iniciação Científica enquanto aluna de graduação, com trabalho premiado em 2013, na 35ª Jornada Giulio Massarani de Iniciação Científica, Tecnológica, Artística e Cultural da UFRJ, intitulado: O COMPORTAMENTO DOS RIOS DA BAIXADA FLUMINENSE EM RESPOSTA A EVENTOS DE CHUVA INTENSA ENTRE 2008 E 2012.

 

Author contributions: Ana Carolina Ferreira da Costa: Conceptualization; Data Curation; Formal Analysis; Investigation; Methodology; Resources; Software; Visualization; Writing – Original.

Luiz Paulo de Freitas Assad, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Geociências, Programa de Pós-Graduação em Meteorologia

Possui graduação em Oceanografia pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro (1996), mestrado em Oceanografia afia Física pela Universidade de São Paulo (2000) e doutorado em Engenharia Civil pelo Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia (2006). Atualmente é professor adjunto do Departamento de Meteorologia da Universidade Federal do Rio de janeiro e também professor permanente do Programa de Pós Graduação em Meteorologia do referido departamento. Pesquisador e coordenador técnico do Núcleo de Modelagem Ambiental do Laboratório de Métodos Computacionais em Engenharia (COPPE) e professor colaborador do Programa de Engenharia Civil da COPPE. Tem experiência na área de Oceanografia Física, com ênfase em modelagem oceânica computacional, atuando principalmente nos seguintes temas: modelagem computacional oceânica global e regional, processos de interação oceano-atmosfera, caracterização e análise de dados meteorológicos e oceanográficos e Recursos Renováveis do Mar. 

 

Author contributions: Luiz Paulo de Freitas Assad: Methodology; Project Administration; Supervision; Writing – Review & Editing.

Anderson Elias Soares, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa em Engenharia, Programa de Engenharia Civil

Engenheiro Eletricista formado pela Escola Politécnica da UFRJ (2019), mestre em Engenharia Elétrica pela COPPE-UFRJ (2024). Atualmente é doutorando em Engenharia Civil (COPPE) e integrante do Núcleo de Modelagem Ambiental do LAMCE/COPPE/UFRJ, atuando na área de modelagem hidrodinâmica, ciência de dados e estudo de fontes renováveis de energia no oceano.

 

Author contributions: Anderson Elias Soares: Data Curation Formal Analysis; Resources; Software; Writing – Review & Editing.

Lívia Maria Barbosa Sancho, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa em Engenharia, Programa de Engenharia Civil

Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa em Engenharia, Programa de Engenharia Civil, Rio de Janeiro, RJ, Brasil

Milad Shadman, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa em Engenharia, Programa de Engenharia Naval e Oceânica

Doutor em Engenharia Oceânica pela UFRJ. Professor Visitante do Programa de Engenharia Oceânica da COPPE/Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e atua na área de sistemas de energias renováveis offshore. Membro do Grupo de Energia Renovável no Oceano (GERO) da UFRJ. Diretor na Associação Panamericana de Energias Renováveis do Oceano (PAMEC.Energy). Coordenador da Comissão de Estudo de Energias Renováveis Marinhas e membro da Comissão de Estudo de Eólica da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) - IEC-TC114 e 88. Membro do Comitê técnico de Eólica Offshore e Energias Renováveis do Oceano da Sociedade Brasiliera de Engenharia Naval (SOBENA). As principais áreas de pesquisa dele incluem o projeto e análise dos sistemas de energias renovávies offshore incluindo conversores de energia de onda, turbinas eólicas flutuantes, conversores de gradiente térmico, solar offshore, sistemas híbridos de eólica-onda e eólica flutuante-solar, dessalinização usando fontes renovávies offshore, e produção de hidrogênio usando eólica offshore.

 

Author contributions: Milad Shadman: Methodology; Project Administration; Supervision; Writing – Review & Editing.

References

Barboza, D.V., Teixeira, M.A., Cataldi, M. & Meiriño, M.J. 2020, ‘Avaliação da Geração Eólica como Alternativa ao Descomissionamento de Plataformas Petrolíferas Fixas nos Mares Brasileiros’, Anuário do Instituto de Geociências, vol. 43, no. 3, pp. 455–466, DOI: 10.11137/2020_3_455_466.

Beluco, A., de Souza, P.K. & Krenzinger, A. 2008, ‘A dimensionless index evaluating the time complementarity between solar and hydraulic energies’, Renewable Energy, vol. 33, no. 10, pp. 2157–2165, DOI: 10.1016/j.renene.2008.01.019.

Cantão, M.P., Bessa, M.R., Bettega, R., Detzel, D.H.M. & Lima, J.M. 2017, ‘Evaluation of hydro-wind complementarity in the Brazilian territory by means of correlation maps’, Renewable Energy, vol. 101, pp. 1215–1225, DOI: 10.1016/j.renene.2016.10.012.

Carvalho, J.T. 2010, ‘Simulação da distribuição de energia das ondas oceânicas ao largo do litoral brasileiro’, Master dissertation, Curso de Pós-Graduação em Meteorologia, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, 169 p.

Eguchi, B. & Albino, J. 2022, ‘Metodologia para determinação do grau de exposição às ondas utilizando energia de ondas e respostas de perfis praiais, aplicada ao litoral sul do Espírito Santo’, Pesquisas em Geociências, vol. 49, no. 2, e115485, DOI: 10.22456/1807-9806.115485.

Eguchi, B.M.M. & Klumb-Oliveira, L.A. 2023, ‘Clima de ondas de tempestades na costa brasileira utilizando 41 anos de dados da reanálise ECMWF ERA5’, Revista Brasileira de Climatologia, vol. 32, pp. 544–565, DOI: 10.55761/abclima.v32i19.16156.

EPE – Empresa de Pesquisa Energética 2007, Plano Nacional de Energia 2030, Empresa de Pesquisa Energética, Rio de Janeiro, viewed 12 Sep. 2022, https://www.epe.gov.br/pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/Plano-Nacional-de-Energia-PNE-2030.

EPE – Empresa de Pesquisa Energética 2024, Balanço Energético Nacional 2024: Ano base 2023, Empresa de Pesquisa Energética, Rio de Janeiro, viewed 07 Jul. 2022, https://www.epe.gov.br/pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/balanco-energetico-nacional-2024.

Fernandes, I.G., Pimenta, F.M., Saavedra, O.R. & Silva, A.R. 2021, ‘Offshore validation of ERA5 reanalysis with hub height wind observations of Brazil’, Proceedings of 2021 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference – Latin America (ISGT Latin America), Lima, Peru, pp. 1–5, DOI: 10.1109/ISGTLatinAmerica52371.2021.9542993.

Gunturu, U.B. & Schlosser, C.A. 2012, ‘Characterization of wind power resource in the United States’, Atmospheric Chemistry and Physics, vol. 12, pp. 9687–9702, DOI: 10.5194/acp-12-9687-2012.

Hersbach, H., de Rosnay, P., Bell, B., Schepers, D., Simmons, A., Soci, C., ... & Zuo, H. 2018, ‘Operational global reanalysis: progress, future directions and synergies with NWP’, ERA Report Series, no. 27, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), DOI: 10.21957/tkic6g3wm.

IEA – International Energy Agency 2021, ‘Global share of total energy supply by source, 2019’, International Energy Agency, Paris, viewed 11 Aug. 2026, https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/global-share-of-total-energy-supply-by-source-2019.

Kardakaris, K., Boufidi, I. & Soukissian, T. 2021, ‘Offshore wind and wave energy complementarity in the Greek Seas based on ERA5 data’, Atmosphere, vol. 12, no. 10, 1360, DOI: 10.3390/atmos12101360.

Molnár, P., Camargo, L.A.S. & Ramos, D.S. 2015, ‘Applying copulas functions for wind and hydro complementarity evaluation: a Brazilian case’, Proceedings of the 12th International Conference on the European Energy Market (EEM), Lisbon, Portugal, DOI: 10.1109/EEM.2015.7216743.

Musial, W., Heimiller, D., Beiter, P., Scott, G. & Draxl, C. 2016, 2016 Offshore Wind Energy Resource Assessment for the United States, NREL/TP-5000-66599, National Renewable Energy Laboratory (NREL), Golden, CO, US.

Nascimento, M.M.S. 2022, ‘Avaliação do potencial energético eólico e solar offshore no Brasil’, Master dissertation, Programa de Pós-Graduação em Meteorologia, UFRJ/IGEO, Rio de Janeiro, 97 p.

Nascimento, M.M.S., Shadman, M., Silva, C., de Freitas Assad, L.P., Estefen, S.F. & Landau, L. 2022, ‘Offshore wind and solar complementarity in Brazil: a theoretical and technical potential assessment’, Energy Conversion and Management, vol. 270, 116194, DOI: 10.1016/j.enconman.2022.116194.

Oliveira de Carvalho, N. 2022, ‘Avaliação de diferentes conjuntos de dados meteorológicos para caracterização da região da Bacia de Santos’, Master dissertation, Programa de Pós-Graduação em Meteorologia, UFRJ/IGEO, Rio de Janeiro, 108 f.

Onea, F. & Rusu, E. 2022, ‘An evaluation of marine renewable energy resources complementarity in the Portuguese nearshore’, Journal of Marine Science and Engineering, vol. 10, no. 12, 1901, DOI: 10.3390/jmse10121901.

Paiva, V., Kampel, M. & Camayo, R. 2021, ‘Comparison of multiple surface ocean wind products with buoy data over Blue Amazon (Brazilian Continental Margin)’, Advances in Meteorology, vol. 2021, Article ID 6680626, 19 p., DOI: 10.1155/2021/6680626.

Pimenta, F., Kempton, W. & Garvine, R. 2008, ‘Combining meteorological stations and satellite data to evaluate the offshore wind power resource of Southeastern Brazil’, Renewable Energy, vol. 33, no. 11, pp. 2375–2387, DOI: 10.1016/j.renene.2008.01.012.

Prasad, A.A., Taylor, R.A. & Kay, M. 2017, ‘Assessment of solar and wind resource synergy in Australia’, Applied Energy, vol. 190, pp. 354–367, DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.12.135.

Reboita, M.S., Ambrizzi, T., Silva, B.A., Pinheiro, R.F. & da Rocha, R.P. 2019, ‘The South Atlantic Subtropical Anticyclone: Present and Future Climate’, Frontiers in Earth Science, vol. 7, 8.

Reis, M.M.L., Mazetto, B.M. & Silva, E.C.M. 2021, ‘Economic analysis for implantation of an offshore wind farm in the Brazilian coast’, Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 43, 100955, DOI: 10.1016/j.seta.2020.100955.

Rosa, C.O.C.S., Costa, K.A., Christo, E.S. & Bertahone, P.B. 2017, ‘Complementarity of hydro, photovoltaic, and wind power in Rio de Janeiro State’, Sustainability, vol. 9, no. 7, 1130, DOI: 10.3390/su9071130.

Rosa, C.O.C.S. 2019, ‘Estudo de complementaridade entre as energias hidrelétrica, eólica e fotovoltaica nas regiões Sudeste e Centro-Oeste’, Master dissertation, Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional em Ciência e Tecnologia, Universidade Federal Fluminense, Volta Redonda, 156 f., DOI: 10.22409/PPGMCCT.2019.m.13332433750.

Shadman, M., Silva, C., Faller, D., Wu, Z., de Freitas Assad, L.P., Landau, L., Levi, C. & Estefen, S.F. 2019, ‘Ocean renewable energy potential, technology, and deployments: a case study of Brazil’, Energies, vol. 12, no. 19, 3658, DOI: 10.3390/en12193658.

Silva, A.J.V.D.C., Cataldi, M. & Dragaud, I.C.D.V. 2016, ‘Avaliação do potencial de geração eólica offshore na região costeira dos municípios de Cabo Frio e Arraial do Cabo, estado do Rio de Janeiro’, Proceedings of XIV Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Ambiental, II Fórum Latino e I SBEA – Centro-Oeste, pp. 432–439, DOI: 10.5151/engpro-eneeamb2016-er-010-4816.

Silva, A.R., Pimenta, F.M., Assireu, A.T. & Spyrides, M.H.C. 2016, ‘Complementarity of Brazil’s hydro and offshore wind power’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 56, pp. 413–427, DOI: 10.1016/j.rser.2015.11.045.

Tavares, L.F.A. 2020, ‘Energia eólica offshore: uma avaliação do potencial técnico das regiões Sul e Sudeste brasileiras a partir de três reanálises atmosféricas e do modelo WRF’, Master dissertation, Programa de Pós-Graduação em Meteorologia, UFRJ/IGEO, Rio de Janeiro.

Zheng, C.W. & Li, C.Y. 2015, ‘Variation of the wave energy and significant wave height in the China Sea and adjacent waters’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 43, pp. 381–387, DOI: 10.1016/j.rser.2014.11.001.

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Published

2026-08-31

How to Cite

Ferreira da Costa, A. C. (2026) “Annual Assessment of Theoretical Wind and Wave Energy Potentials and their Complementarity for the Southwestern Region of the South Atlantic”, Anuário do Instituto de Geociências. Rio de Janeiro, BR, 49. doi: 10.11137/1982-3908_2026_49_67642.