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Planejamento e armazenagem de energia

Uma das maneiras que tenho para apresentar o sistema energético nas minhas aulas é separar as tecnologias de energia em grandes grupos: as tecnologias de oferta, as de demanda ou uso final e um grupo mais complicado que chamo de tecnologias de interface. Planejamento energético é fundamentalmente planejar sistemas de conversão entre formas de energia. Esse agrupamento me ajuda também nos exercícios de prospecção futura de necessidades  de demanda e oferta de energia.

 

PIR

 

 

 

 

 

Costumo iniciar o curso sobre Planejamento Integrado de Recursos com o diagrama abaixo. Convencionalmente o que se pratica é um tipo de planejamento que privilegia os investimentos na expansão do sistema de oferta de energia. Damos muita atenção às tecnologias de oferta  e às fontes de energia (petróleo, gás natural, hidro-eletricidade, etc). Novas refinarias, novas usinas elétricas, investimentos em se ampliar a oferta de combustíveis e eletricidade é o que tem guiado de maneira predominante as políticas de energia em muitos países, e em particular no Brasil. O planejamento que se pratica ainda no Brasil privilegia as tecnologias de oferta.

Quero escrever um pouco sobre um elenco de tecnologias está avançando bastante rapidamente para se tornarem comercialmente viáveis em pouco tempo. São aquelas destinadas a armazenar energia elétrica. O desenvolvimento de inovações nunca é um fato isolado. Pesquisas com novos materiais, avanços na eletrônica, juntamente com sistemas de controle e automação e a integração desses avanços com sistemas eólicos e solares, principalmente concorrem para que novos sistemas de armazenagem de energia se tornem viáveis do ponto de vista técnico (mais eficientes principalmente) e do ponto de vista econômico. A dimensão e o interesse do mercado de eletricidade e de transportes (veículos elétricos) juntamente com políticas de metas de redução de emissões são outros fatores relevantes para explicar a tendência favorável de progresso dessas tecnologias.

Há uma ampla gama de opções de tecnologias de armazenamento de energia em uso e em desenvolvimento. Não existe uma tecnologia que desempenhe sozinha todas as funções do armazenamento de energia, e a escolha daquela mais apropriada a uma aplicação específica pauta-se por critérios técnicos e econômicos, como capacidade de armazenamento e custos de capital, operação e manutenção.

Já escrevi aqui sobre o sistema brasileiro que já possui um interessante sistema de armazenagem de energia que tem sido muito importante para a segurança de fornecimento de um sistema baseado em hidro-eletricidade: os reservatórios de água. Além desse tipo de armazenagem teremos que investir e desenvolver outros métodos, uma vez que temos tido grandes limitações para incorporar novos reservatórios junto ao nosso sistema e isso o tem tornado mais vulnerável às mudanças climáticas e à expansão do consumo.

Um de meus alunos (Luan M dos Santos) fez um levantamento na literatura sobre o estágio de diversos sistemas de armazenagem de eletricidade e seus custos.O gráfico abaixo apresenta, em ordem crescente de estágio de desenvolvimento, as faixas de custo de capital (em US$/kWh) de algumas das tecnologias que se destacam ora por suas peculiaridades técnicas, ora pelas suas perspectivas de progresso e difusão. Essas informações estão apresentadas logo a seguir.

 

As tecnologias de armazenamento bombeado (PHS) e a ar comprimido (CAES) compartilham várias características, como custos de capital relativamente baixos e as mais altas capacidades de armazenamento em relação às demais rotas tecnológicas, podendo armazenar energia por períodos prolongados. Dependem, contudo, de condições geologicamente favoráveis para sua instalação. O armazenamento bombeado é uma tecnologia bastante madura, mas é precipitado afirmar o mesmo sobre CAES – sua modalidade tradicional encontra-se em plenas condições de comercialização, mas melhorias estão sendo concebidas e testadas, como armazenagem de energia a ar comprimido em pequena escala e sistemas de armazenamento em ar comprimido isotérmicos e adiabáticos.

Baterias de sódio-enxofre (NaS) e de lítio-íon (Li-íon) estão entre as mais promissoras tecnologias de armazenamento eletroquímico. As baterias NaS são notavelmente atrativas para a integração de fontes renováveis intermitentes de energia, devido à sua longa vida útil em ciclos e às suas altas densidades de energia armazenável e de potência. Mais de 99% da massa dessas baterias é reciclável, e figuram como a mais econômica opção de armazenamento em baterias. Já as de Li-íon são atualmente as que mais atraem atenção no âmbito do armazenamento de energia integrado à oferta energética, sendo o tipo de bateria mais eficiente do ponto de vista elétrico, devido à baixa resistência interna de suas células. Baterias Li-íon, porém, são tecnologias ainda caras para aplicações de larga escala no setor de suprimento energético. Aquelas baseadas em cobalto enfrentam o problema de relativa escassez de matéria prima, enquanto as baseadas em fosfato, ainda em estágio de desenvolvimento, são mais eficientes e de menor custo, apresentando também estas alta densidade energética e alta potência.

Capacitores podem ser carregados a velocidades substancialmente maiores que baterias, mas sua baixa densidade energética e sua faixa de potência de operação (da ordem de alguns quilowatts) os tornam adequados para serviços de qualidade da energia, e podem ser utilizados para maximizar a vida útil de baterias. Os supercapacitores, por sua vez, representam um grande avanço na tecnologia de armazenamento capacitivo, trazendo consigo capacitâncias e densidades energéticas muito maiores que as de capacitores convencionais. A inserção de supercapacitores em sistemas de potência que integram energias renováveis intermitentes traz diversos benefícios, oferecendo serviços de estabilização de energia em redes elétricas e em usinas eólicas e fotovoltaicas. No mesmo ramo de atuação dos supercapacitores encontram-se os volantes de inércia, relativamente recentes no comércio e com custos de capital variando amplamente. Sua grande vantagem em relação a baterias é a sua longa vida útil, capaz de promover centenas de milhares de ciclos de carga e descarga completos. Volantes de inércia são altamente eficientes, e encontram aplicações mormente em processos de regulação da qualidade da energia e fornecimento de potência em casos de interrupções de poucos segundos, ou mesmo agindo como ponte durante a mudança de uma fonte de energia a outra. A evolução do desempenho de supercapacitores e de volantes de inércia é altamente dependente de inovações em ciência e engenharia de materiais. Interessantes exemplos, nesse sentido, são o supercapacitor composto de silício e o volante de inércia baseado em fibras de carbono.

No caso específico do armazenamento térmico (TES), verifica-se um vasto espectro de tecnologias, com desenvolvimento territorialmente e temporalmente fragmentado, o que dificulta a compilação de informações sobre seus custos e parâmetros de desempenho técnico, bem como investimentos de longo prazo. Dentre as tecnologias térmicas, destacam-se, no âmbito da oferta de energia, aquelas de armazenamento a alta temperatura (HT-TES), cujo custo de capital pode variar de 200 a 300 US$/kW. O desenvolvimento de usinas solares térmicas com armazenamento de energia a alta temperatura para geração contínua de eletricidade pode oferecer uma nova alternativa para oferta de energia em carga de base.

 

 

Storage-resumo kWh
Variação de custos (US$/kWh) de algumas tecnologias de armazenamento de energia

 

 Referências

[1] Chen, H. et al. Progress in electrical energy storage system: A critical review. Progress in Natural Science, v. 19, pp. 291-312, 2009.

[2] Rastler, D. Electricity energy storage technology options: a white paper primer on applications, costs, and options. Electric Power Research Institute (EPRI), 2010.

[3] Taylor, P. et al. Pathways for energy storage in the UK. Centre for low carbon futures, 2012. Disponível em:

<http://www.lowcarbonfutures.org/sites/default/files/Pathways%20for%20Energy%20Storage%20in%20the%20UK.pdf>. Acesso em 01 abr. 2016.

[4] Rastler, D. Overview of energy storage options for the electric enterprise. Electric Power Research Institute (EPRI). 2009. Disponível em:

<http://www.energy.ca.gov/2009_energypolicy/documents/2009-04-02_workshop/presentations/0_3%20EPRI%20-%20Energy%20Storage%20Overview%20-%20Dan%20Rastler.pdf>. Acesso em 01/04/2016.

[5] Evans, A; Strezov, V; Evans, T. J. Assessment of utility energy storage options for increased renewable energy penetration. Renewable & Sustainable Energy Reviews, v.16, pp. 4141-4147, 2012.

[6] Shoenung, S. M. Characteristics and technologies for long- vs. short-term energy storage: a study by the DOE energy storage systems program. SAND2001-0765. Sandia National Laboratories. United States Department of Energy, 2001.

Além de grandes hidroelétricas: como aproveitar as novas oportunidades tecnológicas

 

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A hidroeletricidade se desenvolveu no Brasil com projetos de grande porte das últimas décadas.  Com esses empreendimentos criamos expertise técnica, capacitação industrial e de engenharia de projetos. Foi possível construir um grande sistema de geração, transmissão e distribuição renovável de eletricidade no país.

Isso foi também resultado de uma evolução histórica das tecnologias de energia que favoreciam o desenvolvimento de soluções de grande porte e de geração centralizada, com baixo custo e onde a hidroeletricidade supria a carga de base do sistema elétrico nacional.

Muita coisa mudou.

Se até agora o Brasil se orgulha em ainda ter uma matriz energética com grande participação de fontes renováveis (já chegamos a ter mais de 85% de nosso consumo suprido através de hidroeletricidade), isso logo mais deixará de ser uma exclusividade. Quando vemos as projeções de produção futura de energia que estão sendo apresentadas por diversos países, notamos a crescente preocupação em reduzir a participação de fontes fósseis e a introdução em larga escala de fontes renováveis e eficiência energética.

Com a limitação de construção de hidroelétricas com reservatórios desde 2003, aliado a problemas climáticos, a intermitência desse tipo de geração tem que ser analisado novamente, juntamente com a possível entrada em larga escala de fontes como solar e eólica. Uma fundamental característica do sistema elétrico brasileiro era a sua capacidade de armazenar energia em reservatórios de água. Isso era o que nos permitia ter hidroeletricidade como nossa fonte principal  e a termoeletricidade como fonte complementar. Os reservatórios são  a nossa grande bateria dessa fonte renovável que são as hidroelétricas. Isso começou a se alterar com o crescimento da demanda tanto de água para abastecimento como de eletricidade, além das incertezas climáticas provocando cortes, backouts e aumentando a vulnerabilidade e segurança de fornecimento de energia no país.

É necessário elaborar estratégias para flexibilizar tanto a demanda como a oferta de eletricidade e incluir sistemas de armazenamento de energia. Aumentar a participação de energia solar e eólica nos ajudarão a manter mais energia estocada nos reservatórios, mas outras opções tecnológicas serão importantes.

Iremos publicar aqui uma série de artigos mostrando o estado da arte de tecnologias de energia, práticas, novos negócios que vem sendo experimentados na direção de tornar fontes renováveis e eficiência energética como elementos-chave de um moderno sistema energético que deverá contar com maior participação dos consumidores e maior interação com água e agricultura (o que se chama atualmente de nexus energia-água-alimentos).

Segue abaixo uma pequena descrição de um dos trabalhos que estamos fazendo atravé de uma colaboração com um grupo de pesquisa da Universidade Técnica de Munique. O texto foi escrito por Simon Herzog, pesquisador desse grupo que está trabalhando conosco durante este semestre na sua tese de doutorado. Ele descreve brevemente o seu tema de doutorado.

“Power generation in Brazil relies to approximately 70 % on large hydro power plants and to 20 % on fossil fuels. Other regenerative sources besides hydro power, mainly biomass, contribute further 8 %. Although enormous meteorological potentials for wind and sun, their share for electricity generation is less than 2 % at present. To face continuing growth of energy demand and to mitigate environmental impacts, wind and solar power could be applied in a much larger extend. A precondition for the integration of intermittent generation is a certain degree of flexibility in the energy system. Options for flexibility are storages, flexible generation and flexible demand as well as exchange with other regions. Considering Brazils present power infrastructure, solutions will be identified and evaluated for integration of wind and solar power. Main focus of this work is to determine by region capacities for wind, PV and storages by region taking into account the flexibility delivered by existing hydro power plants. To determine the storage demand, a linear energy system model for Brazil is used. This model consists of the five Brazilian macro regions North, Northeast, Central-West, Southeast and South. As input data for each region, the present generation capacities, specific demand profiles and meteorological potentials for renewables are used. In case of renewable generation, it is differentiated between large scale centralized generation and small scale decentralized generation. Limited exchange of electricity between the regions is possible. Load profiles for the system analysis are derived from statistical data. Historical weather data are used to determine cooling needs and generation of renewable energy. As competitors for new storages, load shifting and flexible hydro power stations are considered.”

Em breve teremos resultados interessantes da análise desenvolvida pelo Simon.

O assunto não se esgota aqui.