Crescimento Solar Exige uma Rede Elétrica Mais Inteligente e Resiliente

A Mudança Global dos Combustíveis Fósseis para Redes de Energia Solar

No rescaldo do colapso da rede elétrica na Península Ibérica (Portugal e Espanha), muitos questionaram a causa raiz do que aconteceu. E, como muitas coisas hoje, a discussão rapidamente se politizou, com a energia solar acusada de ser a razão da falha.

Fonte: RNZ

E isso pode ser parcialmente verdade, pelo menos em certa medida. A rede elétrica foi projetada décadas atrás, com um design centralizado e centrado em combustíveis fósseis, construído em torno de algumas usinas massivas capazes de gerar energia sob demanda.

Em comparação, um suprimento de energia descentralizado e renovável funciona de várias maneiras. À medida que a energia solar se torna mais barata, provavelmente assumirá cada vez mais da geração total de energia. Atualmente, a solar representa 80 % da nova geração de energia adicionada à rede, e a eólica mais 10 %.

Com 585 GW de adições de capacidade, as renováveis representaram mais de 90 % da expansão total de energia globalmente em 2024.

A energia solar e eólica continuaram a expandir mais, representando conjuntamente 96,6 % de todas as adições líquidas de renováveis em 2024. Mais de três quartos da expansão de capacidade foram em energia solar, que aumentou 32,2 %, atingindo 1 865 GW, seguida pela energia eólica, que cresceu 11,1 %.

Fonte: Irena

Portanto, embora um suprimento de energia verde e baseado em renováveis pareça iminente, tornar a rede elétrica capaz de lidar com isso será vital. Especialmente porque qualquer falha na rede elétrica, como a recente, se realmente foi causada pelo suprimento de energia solar, desacelerará a adoção da energia solar e, indiretamente, fará com que as emissões de carbono permaneçam altas por mais tempo.

Como Funcionam as Redes Elétricas e Por Que Falham

Um elemento fundamental para entender a importância da rede elétrica e as dificuldades em mantê‑la operando é que a eletricidade é muito difícil de armazenar.

Em teoria, isso é o que as baterias fazem, mas a rede elétrica de um país opera em níveis de energia várias ordens de magnitude superiores ao que até as maiores instalações de baterias podem armazenar.

Portanto, por enquanto, a energia precisa ser produzida exatamente na mesma quantidade que é consumida, em tempo real.

Para acrescentar a essa tarefa difícil, a energia também precisa ser entregue ao local correto e no momento certo. Por exemplo, a energia solar gerada em Nevada não ajudará a rede de Kansas se não estiver conectada a ela com linhas de transmissão suficientes. No caso da Espanha, as interconexões com o sistema de rede elétrica francês não eram grandes o bastante para salvá‑la de seus problemas localizados.

Fonte: ResearchGate

Finalmente, mudanças de tensão precisam ser feitas. A transmissão de energia a longas distâncias só pode ser feita de forma eficiente em alta tensão, exigindo transformadores para elevar a tensão antes de empurrar a eletricidade para as linhas. O consumo precisa ser feito em tensão mais baixa, o que também é realizado com transformadores.

Fonte: EIA

Falha da Rede Elétrica da Espanha: O Que Deu Errado?

Problemas de Frequência

Embora seja provável que as causas raízes do colapso da rede ibérica sejam intensamente debatidas, potencialmente por meses e anos, temos alguns pontos de dados que podem indicar parcialmente o que aconteceu.

A primeira é que o ponto real da falha não foi sobre geração excessiva ou insuficiente de energia, mas sim a frequência elétrica da rede.

A frequência de utilidade é uma característica técnica da rede, determinada pela oscilação da corrente alternada.

Fonte: Wikipedia

Diferentes redes elétricas têm frequências padrão diferentes, tornando-as incompatíveis entre si. Por exemplo, os Estados Bálticos só recentemente mudaram para a frequência europeia, após décadas mantendo a frequência herdada da URSS.

Se a frequência sair muito dos padrões, pode literalmente destruir transformadores e outros equipamentos de alta potência, bem como dispositivos de usuários comuns. Existem inúmeros mecanismos incorporados em dispositivos elétricos que desconectam automaticamente se a frequência oscilar excessivamente.

A Energia Solar Causou a Falha da Rede Espanhola?

A frequência da rede costumava ser gerada e estabilizada pela rotação física de geradores massivos, geralmente alimentados por combustíveis fósseis, mas também por hidrelétricas e usinas nucleares. Isso conferia à rede muita inércia, dificultando que a frequência se desviasse muito dos níveis pretendidos. Contudo, a energia solar não gera essa inércia.

Fonte: SmartGrid

Portanto, não é tanto que a geração de energia solar criou o colapso, mas que sua falta de inércia não ajudou a estabilizar a frequência da rede, que foi um fator chave no acidente.

Com o aumento contínuo da integração de fontes renováveis, refletido por muitos países, como a Índia, que planejam aproveitar os recursos renováveis abundantemente disponíveis, a redução da inércia da rede será um problema constante e levanta a questão da gestão da rede que também contém geração convencional.

Ainda assim, isso não explica por que a frequência flutuou em primeiro lugar. Além da falta de inércia, que pode estar ligada à energia solar, parece que algumas práticas inadequadas e projetos antigos também contribuíram para o colapso da rede ibérica, tornando-a vulnerável ao que o operador da rede descreveu como um “fenômeno meteorológico extremamente raro”.

Atualizando as Redes Elétricas para um Futuro de Energia Renovável

Como os projetos mais antigos de transformadores, linhas de transmissão e outras infraestruturas são a causa mais comum de apagões, faz sentido que o primeiro passo para melhorar a rede elétrica seja atualizar o equipamento.

Um passo adiante são as chamadas redes inteligentes, que monitoram de forma muito mais detalhada o que está acontecendo em cada nível da rede elétrica em tempo real, em vez de uma análise mais geral. Isso também inclui muitos sistemas automáticos individuais.

Dessa forma, uma flutuação na frequência localizada em uma área específica, devido a um evento climático, por exemplo, poderia ser isolada do resto da rede imediatamente antes que o problema se espalhasse ainda mais.

Melhorias nas linhas de transmissão também podem ajudar. Uma rede de energia mais densa permite redirecionar energia de uma região para outra e reduz a sensibilidade a um ponto único de falha. Melhor isolamento ou enterramento das linhas pode protegê‑las contra tempestades, neve e geada, incêndios florestais, etc.

Mais conexões entre regiões distantes também podem ajudar a equilibrar as flutuações na geração de energia de uma área ensolarada para outra. Isso geralmente requer infraestrutura dedicada para transporte de energia em ultra‑longas distâncias, algo em que a China lidera globalmente, com sua “super rede” usando linhas de alta tensão ultra‑alta (UHV) em AC e DC, já com 30.000 km de linhas UHV (18.600 milhas).

Fonte: IEEE

É provável que conexões transcontinentais semelhantes precisem ser construídas também na Europa e na América do Norte, por exemplo, entre a Espanha e o Norte da Europa, ou entre o Leste e o Oeste dos EUA, com muitas redes independentes ainda pouco conectadas.

Nesse sentido, provavelmente não é coincidência que a pior falha de rede dos últimos anos tenha ocorrido no Texas e na Espanha, ambas redes relativamente pequenas e isoladas.

Fonte: ASME

Finalmente, à medida que a eletrificação se torna a tendência dominante em transporte, aquecimento e processos industriais, mais capacidade de transmissão de energia é necessária globalmente para atender à demanda crescente que se afasta do carvão, petróleo e gás. Isso não requer mudança de design ou nova tecnologia, mas mais investimento para construir mais linhas de transmissão.

Estabilização da Frequência da Rede em Sistemas de Energia Renovável

Armazenamento de Baterias e Inércia Virtual nas Redes Elétricas

Embora as redes inteligentes façam parte da solução, elas principalmente reduzirão a exposição a efeitos ambientais e conterão falhas em áreas menores e mais gerenciáveis do que um colapso em todo o país.

Para evitar colapsos desde o início, especialmente à medida que a energia solar sem inércia se torna a principal fonte de eletricidade, são necessárias outras soluções.

O Armazenamento de Baterias em Grande Escala (LSBS) pode oferecer alguma ajuda. Essas baterias, de qualquer forma, serão necessárias para um sistema de energia predominantemente renovável, já que os painéis solares não produzem energia à noite, horário de pico de consumo.

Eles também podem fornecer inércia de frequência, embora de forma diferente dos geradores giratórios tradicionais. A inércia das baterias é chamada de inércia virtual, ou sintética, simulada ou digital.

Quando são detectadas perturbações fora da frequência normal, o FFR empurra a frequência da rede de volta ao seu intervalo operacional normal, injetando ou retirando energia rapidamente da rede.

A inércia virtual pode responder ainda mais rápido que os geradores tradicionais à instabilidade da frequência, em menos de 2 segundos.

Este é um serviço que foi oferecido comercialmente pela primeira vez em 2022 por instalações de baterias construídas pela Tesla (TSLA ).

A Big Battery pode fornecer aproximadamente 2.000 “megawatt‑segundos” (MWs) de equivalência de inércia para ajudar a manter a rede estável. Ela faz isso via o serviço Virtual Machine Mode da Tesla. Poderá fornecer cerca de 15 % da deficiência de inércia da Austrália do Sul.

Os Painéis Solares Podem Ajudar a Estabilizar a Frequência da Rede?

Por si só, os painéis solares não fornecem inércia, pois não há rotação física e energia cinética para criá‑la. Mas eles podem ser usados de maneiras que também ofereçam suporte à rede.

Por exemplo, os projetos solares foram tradicionalmente projetados e incentivados a maximizar a produção o tempo todo. Mas, mantendo alguma capacidade de geração reserva, eles poderiam fornecê‑la em caso de queda de frequência.

Isso é muito fácil de fazer tecnicamente e tem mais a ver com como as usinas solares são compensadas pelas companhias de energia e operadores de rede.

Armazenamento de energia em menor escala no nível da usina solar poderia ser usado de forma semelhante para absorver pequenos picos de energia e elevações de frequência. O operador da rede poderia dedicar uma quantidade específica de geração para ser armazenada e disponibilizada para despacho imediato se a frequência cair.

O mesmo método poderia ser usado com os inversores ligados aos painéis solares. Um controlador da usina poderia teoricamente sobrescrever os controles do inversor por um curto período para conter uma queda de frequência, “operando em alta temperatura”, mas abaixo do nível que causaria dano físico aos inversores.

Nesse cenário, cada inversor de painel solar atuaria como um mini estabilizador, fornecendo inércia virtual adicional.

Restaurando a Inércia da Rede com Soluções Mecânicas Giratórias

Se a inércia for necessária, e tradicionalmente fornecida por centenas de toneladas de metal girando em alta velocidade, talvez a solução para a falta de inércia seja exatamente isso.

Alguns dispositivos e formas de armazenamento de energia são do tipo giratório: condensadores síncronos e volantes.

Condensadores Síncronos: Adicionando Inércia às Redes Elétricas

Condensadores síncronos são motores de corrente contínua cujos eixos não estão conectados a nada, girando livremente. Eles não geram nem consomem energia, mas ajustam as condições na rede de transmissão elétrica.

Eles são, na verdade, uma ótima opção para adicionar inércia à rede, mas fornecem poucos outros serviços. Portanto, se for necessário instalar muitos deles, isso representará um custo extra, anulando parcialmente o progresso feito na redução do preço da energia renovável.

Os condensadores também são muito importantes para reiniciar uma rede que falhou, pois fornecem a inércia necessária quando há pouca energia presente na rede. Eles também podem ajudar a absorver sobrecarga na rede por vários segundos, reduzindo o risco de curto‑circuito.

Armazenamento de Energia em Volantes para a Estabilidade da Rede

Volantes são outra opção interessante. Esses discos giratórios são essencialmente baterias giratórias, armazenando energia em forma mecânica em vez de química.

Eles giram em vácuo sobre um rolamento magnético, a velocidades de 20.000 a 50.000 rotações por minuto. O sistema armazena ou devolve energia acelerando ou desacelerando o volante.

Fonte: Stornetic

Ao fornecer naturalmente inércia “real”, em vez de inércia virtual, um volante pode ser uma boa opção para acrescentar ao conjunto de “baterias” necessárias para redes verdes, proporcionando simultaneamente inércia de frequência e armazenamento de energia. Isso os coloca acima dos condensadores síncronos mais simples, que não podem armazenar e devolver energia.

Soluções Alternativas de Armazenamento de Energia Rotacional

Qualquer armazenamento de energia que gire pode adicionar inércia ao sistema da rede. Portanto, além dos volantes, outras opções também são possíveis.

Por exemplo, a startup Cheesecake Energy oferece um pacote modular e conteinerizado de armazenamento de energia por ar comprimido. O calor gerado pela compressão é armazenado em cascalho barato em baterias térmicas, e a compressão é feita com motores de caminhão antigos reaproveitados. O armazenamento e a regeneração de energia também envolvem eixos metálicos giratórios, semelhantes a um gerador convencional.

Outros tipos de armazenamento de energia não químico existem, como baterias gravitacionais, hidrelétricas bombeadas, armazenamento em concreto, baterias térmicas ou energia solar térmica, que exploramos no artigo dedicado “Alternativas Não Químicas às Baterias para a Transição Energética”.

Criando um Mercado para Inércia da Rede e Controle de Frequência

Até agora, a inércia era algo como um “serviço gratuito” fornecido pelos operadores de usinas com geradores giratórios. Ou, mais precisamente, assumia‑se que isso fazia parte do serviço pago quando as concessionárias compravam megawatts deles.

Mudanças na geração de energia significam que um mercado mais explícito para estabilização de frequência deve ser criado a fim de incentivar a provisão de inércia.

Isso é algo que está sendo pioneiro por países com redes pequenas e isoladas, como os Estados Bálticos.

Com o lançamento do mercado de frequência pela Litgrid (Lituânia), Augstsprieguma tīkls (Letônia) e Elering (Estônia), os produtores de eletricidade podem submeter ofertas todas as manhãs para o dia seguinte, indicando quanta energia estão dispostos a manter em reserva.

O preço é cerca de 0,5 centavos por quilowatt‑hora, o que significa aproximadamente €1 por mês para um consumidor residencial.

Principais Desafios que Retardam as Atualizações Globais das Redes Elétricas

Escassez de Transformadores Ameaça a Modernização da Rede

Um dos problemas mais proeminentes na melhoria da rede hoje é a escassez de transformadores. Décadas de subinvestimento na infraestrutura da rede levaram à situação em que não apenas novos equipamentos são necessários para lidar com maior consumo, mas também para substituir transformadores envelhecidos.

Fonte: Utility Dive

Um aumento nos danos causados por furacões e incêndios florestais também não ajudou.

A demanda extra também encontra problemas de oferta, já que o aço elétrico especial, vital para a redução de perdas em transformadores, permanece caro e difícil de obter.

“A entrega de um novo transformador encomendado hoje pode levar até três anos. Cinco anos atrás, esse tempo de espera era de quatro a seis semanas.” Peter Ferrell – National Association of Electrical Manufacturers, ou NEMA, Diretor de Relações Governamentais

Escassez de Cobre Pode Obstaculizar as Redes de Energia Renovável

Outra questão que pode retardar as atualizações da rede é a escassez de recursos naturais. Embora o lítio e outros minerais para baterias possam estar em suprimento adequado, não está claro se a produção global de cobre é suficientemente alta, especialmente à medida que veículos elétricos e outras tecnologias importantes para a eletrificação aumentam o consumo.

E mudar a direção do fornecimento de cobre pode ser muito lento, com a escassez prevista para persistir por anos.

Demanda poderia ser atendida abrindo três minas ‘tier‑one’ (cada uma com capacidade anual de 300.000 toneladas métricas) a cada ano pelos próximos 29 anos, o que representaria uma expansão histórica para a indústria, com custo superior a US$ 500 bi.

Aprovações regulatórias para novas minas de cobre estão em tendência de queda, atingindo o nível mais baixo em 15 anos. Isso é particularmente preocupante, dado que as minas podem levar de 10 a 20 anos para serem aprovadas e desenvolvidas

Fonte: International Energy Forum

Tarifas sobre Componentes da Rede Podem Atrasar as Atualizações nos EUA

Para os EUA especificamente, é possível que guerras comerciais e tarifas atrapalhem o fornecimento dos equipamentos necessários.

Em 2024, a China exportou US$ 46,5 bi em transformadores elétricos, sendo o 9.º produto mais exportado (entre 1.211) na China, com os EUA como principal destino (US$ 4,66 bi em comércio).

Da mesma forma, baterias e outros componentes eletrônicos e de energia provavelmente são parcialmente fornecidos por empresas chinesas e precisarão de fornecedores alternativos.

Por fim, a maioria das linhas de transmissão de longa distância usa alumínio, que também foi sujeito a tarifas especiais de 25 % este ano. Isso pode elevar os custos dos projetos e atrasar as tão necessárias atualizações da infraestrutura elétrica do país.

Conclusão: Construindo uma Rede Resiliente para um Futuro Verde

Reconstruir a rede elétrica para lidar com a transição para energia renovável é uma tarefa bastante assustadora. Ao reduzir a importância das turbinas a gás e de outras usinas de combustíveis fósseis, a transição energética também elimina uma importante fonte de estabilidade de frequência, tudo enquanto a produção de energia se torna mais intermitente.

Paralelamente, a eletrificação significa que as redes elétricas estão mais sobrecarregadas do que nunca devido à demanda constantemente crescente por transporte, aquecimento e atividade industrial.

A energia verde provavelmente será a solução para o problema que causa. Pacotes de baterias, já necessários em tamanhos massivos para equilibrar a intermitência da produção, provavelmente se tornarão o principal fornecedor de estabilidade de frequência. Inversores de usinas solares também deverão ser mobilizados para essa tarefa.

Enquanto isso, outras tecnologias como ar comprimido, volante e condensadores síncronos também devem ajudar.

A curto prazo, a produção insuficiente de transformadores e o aço de grau especial que eles exigem dificultarão as melhorias da rede. A longo prazo, a capacidade de recompensar adequadamente os fornecedores de estabilidade de frequência, a vontade política de melhorar a rede elétrica e um fornecimento constante de soluções de armazenamento de energia serão os fatores‑chave para uma transição energética bem‑sucedida.

Investindo na Rede Elétrica

GE Vernova

GE Vernova (GEV ) é o resultado da divisão do gigante conglomerado GE em 2024 em GE Aerospace (GE ), GE HealthCare e GE Vernova, com a Vernova no segmento de energia.

Nesse sentido, isso torna a GE Vernova a herdeira direta do núcleo original da General Electric (GE.TO ), com 130 anos de história.

Com atualmente 75.000 funcionários em mais de 100 países, a empresa produziu 55.000 turbinas eólicas e 7.000 turbinas a gás, ajudando a gerar aproximadamente 25 % da eletricidade mundial.

Está presente em todos os níveis de produção e distribuição de eletricidade, especialmente em segmentos relacionados a turbinas como eólica, hidro e nuclear, mas também na rede elétrica, onde possui projetos em backlog no valor de US$ 16 bi.

Fonte: GE Vernova

A empresa vê a demanda por eletricidade dobrar até 2040, com 4 trilhões de dólares necessários para substituir usinas a carvão, representando uma oportunidade massiva para fabricantes de equipamentos elétricos.

Fonte: GE Vernova

A GE é parceira próxima de muitas das maiores empresas de energia do mundo, incluindo a francesa Engie, a americana Duke Energy (DUK ), e a Southern Company (SOT.DE ) (SO ), a alemã RWE, a espanhola Iberdrola, a Taiwan Power Company, etc.

Quanto a soluções de rede e eletrificação, a GE Vernova fornece sistemas de armazenamento de energia em baterias, condensadores síncronos, usinas de armazenamento por bombeamento (PSPP), eletrificação de fornos, armazenamento térmico, inversores solares, compressores de hidrogênio, etc.

Fonte: GE Vernova

A GE Vernova também é uma potência em P&D relacionada à energia (US$ 1 bi em gastos anuais de P&D), notadamente com sequestro de carbono, cabos HVDC, turbinas a gás de hidrogênio e um design de reator modular pequeno (SMR) em parceria com a Hitachi.

Fonte: GE Vernova

Os problemas de fornecimento e a escassez de equipamentos industriais nos EUA podem ser uma oportunidade para a empresa, graças a um plano cumulativo de CAPEX e investimento em P&D global de US$ 9 bi até 2028 para novas instalações de produção. Isso inclui US$ 50 mi para design de combustível nuclear de próxima geração, US$ 300 mi para energia a gás e exportações de GNL, US$ 600 mi em fábricas nos EUA até 2026, etc.

Devido à amplitude das atividades da GE Vernova, os investidores na ação da empresa não precisam ter certeza de qual tecnologia vencerá a transição energética nos próximos 5 ou 10 anos:

• Se o gás natural permanecer importante, a GE Vernova já é um ator importante no segmento.
• Se a energia nuclear de fato passar por um renascimento, turbinas nucleares e SMR terão sucesso.
• Se o hidrogênio, a energia eólica, a energia hidrelétrica bombeada ou a captura e sequestro de carbono estiverem em alta, a GE Vernova poderá conquistar parte desses mercados também.

Portanto, no geral, a GE Vernova é uma boa ação a ser considerada por investidores conscientes da crescente demanda por eletricidade, da necessidade de uma rede melhor e confiantes de que a GE será parte da solução, seja com hidro, eólica, nuclear ou quase qualquer outra forma de energia.

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