Energia
Crescimento Solar Exige uma Rede Elétrica Mais Inteligente e Resiliente
A Mudança Global de Combustíveis Fósseis para Redes de Energia Solar
Após o colapso da rede de energia na Península Ibérica (Portugal e Espanha), muitos questionaram a causa raiz do que aconteceu. E, como muitas coisas hoje, a discussão rapidamente se tornou politizada, com a energia solar acusada de ser a razão do acidente.
Fonte: RNZ
E pode ser parcialmente verdade, pelo menos em alguma extensão. A rede de energia foi projetada décadas atrás, com um design centralizado e focado em combustíveis fósseis, construído em torno de algumas usinas de energia massive capazes de gerar energia sob demanda.
Em comparação, um suprimento de energia renovável e descentralizado funciona de muitas maneiras diferentes. À medida que a energia solar se torna mais barata, é provável que assuma cada vez mais a geração total de energia. Atualmente, a energia solar representa 80% da nova geração de energia adicionada à rede, e a energia eólica representa outros 10%.
Com 585 GW de acréscimo de capacidade, as renováveis responderam por mais de 90% da expansão total de energia em todo o mundo em 2024.
A energia solar e eólica continuou a expandir-se, juntamente respondendo por 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
Então, enquanto um suprimento de energia verde e baseado em renováveis parece iminente, tornar a rede de energia capaz de lidar com isso será vital. Especialmente porque qualquer falha na rede de energia, como a recente, se realmente foi causada pelo suprimento de energia solar, irá desacelerar a adoção de energia solar e indiretamente causar emissões de carbono a permanecerem altas por mais tempo.
Como as Redes Elétricas Funcionam e Por Que Elas Falham
Um elemento-chave para entender a importância da rede de energia e as dificuldades em mantê-la em funcionamento é que a eletricidade é muito difícil de armazenar.
Em teoria, é isso que as baterias estão fazendo, mas a rede de energia de um país opera em níveis de energia várias ordens de magnitude acima do que mesmo as maiores instalações de baterias podem armazenar.
Então, por enquanto, a energia precisa ser produzida exatamente na mesma quantidade que é consumida, em tempo real.
Para adicionar a essa tarefa difícil, a energia também precisa ser entregue no local certo e no momento certo. Por exemplo, a energia solar gerada no Nevada não ajudará a rede de energia do Kansas se não estiver conectada a ela com linhas de energia suficientes. No caso da Espanha, as interconexões com o sistema de rede de energia francês não eram grandes o suficiente para salvá-la de seus problemas localizados.
Fonte: ResearchGate
Finalmente, mudanças na tensão precisam ser feitas. A transmissão de longa distância de energia só pode ser feita de forma eficiente em alta tensão, exigindo transformadores para aumentar a tensão antes de empurrar a eletricidade para as linhas de energia. O consumo precisa ser feito em uma tensão mais baixa, o que também é feito com transformadores.
Fonte: EIA
Falha da Rede de Energia da Espanha: O Que Deu Errado?
Problemas de Frequência
Embora seja provável que as causas raiz do colapso da rede ibérica sejam debatidas por meses e anos, temos alguns pontos de dados que podem indicar parcialmente o que aconteceu.
O primeiro é que o ponto real de falha não foi sobre geração excessiva ou insuficiente de energia, mas a frequência elétrica da rede de energia.
A frequência de utilidade é uma característica técnica da rede, determinada pela oscilação da corrente alternada.
Fonte: Wikipedia
Diferentes redes de energia têm frequências padrão diferentes, tornando-as incompatíveis entre si. Por exemplo, os estados bálticos acabaram de mudar para a frequência europeia, após décadas de manter a frequência herdada da URSS.
Se a frequência sair muito do padrão, pode literalmente destruir transformadores e outros equipamentos de alta potência, bem como dispositivos de usuários regulares. Existem numerosos mecanismos embutidos em dispositivos de energia elétrica para se desconectar automaticamente se a frequência flutuar excessivamente.
A Energia Solar Causou a Falha da Rede de Energia da Espanha?
A frequência da rede costumava ser gerada e estabilizada pela rotação física de geradores massive, geralmente alimentados por combustíveis fósseis, mas também por hidrelétricas e usinas nucleares. Isso deu à rede muita inércia, tornando-a muito difícil para a frequência se afastar muito dos níveis pretendidos. No entanto, a energia solar não gera essa inércia.
Fonte: SmartGrid
Então, não é tanto que a geração de energia solar criou o acidente, mas que a falta de inércia não ajudou a estabilizar a frequência da rede, que foi um fator-chave no acidente.
Ainda, não explica por que a frequência flutuou no início. Além da falta de inércia, que pode ser ligada à energia solar, parece que algumas más práticas e projetos antigos também contribuíram para o acidente da rede ibérica, tornando-a vulnerável ao que o operador da rede descreveu como um “fenômeno meteorológico extremamente raro“.
Atualizando Redes de Energia para um Futuro de Energia Renovável
À medida que os projetos mais antigos de transformadores, linhas de energia e outras infraestruturas são a causa mais comum de interrupções, faz sentido que o primeiro passo para melhorar a rede de energia seja atualizar o equipamento.
Um passo à frente é o chamado “smart grid”, que monitora mais de perto o que está acontecendo em todos os níveis da rede de energia 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 meteorológico, por exemplo, poderia ser isolada do resto da rede imediatamente antes de espalhar o problema ainda mais.
Melhorias nas linhas de energia também podem ajudar. Uma rede de energia mais densa permite reencaminhar energia de uma região para outra e reduz a sensibilidade a um único ponto de falha. Uma melhor isolamento ou enterro de linhas de energia também pode protegê-las contra tempestades, neve e geada, incêndios, etc.
Mais conexões entre regiões distantes também podem ajudar. Isso geralmente requer infraestrutura dedicada para transporte de energia de longa distância, algo que a China é líder mundial, com sua “super rede” que usa linhas de energia de ultra-alta tensão (UHV) AC e DC, com já 30.000 km de linhas UHV (18.600 milhas).
Fonte: IEEE
É provável que conexões transcontinentais semelhantes precisem ser construídas na Europa e na América do Norte, por exemplo, entre a Espanha e a Europa do Norte, ou entre o leste e o oeste dos EUA, com muitas redes independentes ainda não conectadas.
Nesse sentido, é provável que não seja um acaso que a pior falha da rede nos 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 no transporte, aquecimento e processos industriais, mais capacidade de transmissão de energia é necessária para atender à demanda crescente que se afasta do carvão, petróleo e gás. Isso não requer uma mudança no design ou nova tecnologia, mas mais investimento para construir mais linhas de energia.
Estabilização de Frequência da Rede em Sistemas de Energia Renovável
Armazenamento de Energia de Bateria e Inércia Virtual em Redes de Energia
Embora as redes inteligentes sejam parte da resposta, elas vão reduzir principalmente a exposição a efeitos ambientais e conter falhas em áreas menores e mais gerenciáveis do que um acidente em todo o país.
Para evitar acidentes, especialmente à medida que a energia solar sem inércia se torna a principal fonte de eletricidade, outras soluções são necessárias.
O armazenamento de energia de bateria em grande escala (LSBS) poderia fornecer alguma ajuda. Essas baterias são, de qualquer forma, necessárias para um sistema de energia baseado principalmente em renováveis, pois os painéis solares não produzem energia à noite, no horário de pico de consumo.
Elas também podem fornecer inércia de frequência, embora de uma forma diferente dos geradores tradicionais. A inércia das baterias é chamada de inércia virtual, ou sintética, simulada ou digital.
Quando distúrbios fora do normal são detectados, o FFR empurra a frequência da rede de volta para o seu intervalo de operação normal, injetando ou retirando energia da rede rapidamente.
A inércia virtual pode responder ainda mais rápido do que os geradores tradicionais à instabilidade na frequência, em menos de 2 segundos.
Este é um serviço que foi oferecido comercialmente em 2022 por instalações de bateria construídas pela Tesla (TSLA ).
A Big Battery é capaz de fornecer ~2.000 “megawatt segundos” (MWs) de equivalência de inércia para ajudar a manter a rede estável. Ela faz isso por meio do serviço Virtual Machine Mode da Tesla. Ela será capaz de fornecer ~15% da falta de inércia da Austrália do Sul.
Os Painéis Solares Podem Ajudar a Estabilizar a Frequência da Rede?
Por si mesmos, os painéis solares não fornecem inércia, pois não há rotação física e energia cinética para criá-la. Mas eles poderiam ser usados de maneiras para fornecer suporte à rede também.
Por exemplo, projetos solares foram tradicionalmente projetados e incentivados a maximizar a produção em todos os momentos. Mas mantendo alguma capacidade de geração sobressalente, eles poderiam fornecê-la em caso de queda na frequência.
Isso é muito fácil de fazer tecnicamente e tem mais a ver com como as usinas solares são compensadas pelas empresas de utilidade e operadores da rede.
Armazenamento de energia em pequena escala no nível da usina solar também poderia ser usado para absorver pequenos picos de energia e um aumento na frequência. O operador da rede poderia dedicar uma quantidade específica de geração a 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 de usina poderia teoricamente substituir os controles do inversor por um curto período de tempo para arrestar uma queda na frequência, “executando-o quente”, mas abaixo do nível em que danos físicos seriam causados aos inversores.
Nesse cenário, cada inversor de painel solar agiria como um mini-estabilizador, fornecendo inércia virtual adicional.
Restaurando a Inércia da Rede com Soluções de Rotação Mecânica
Se a inércia é necessária, e tradicionalmente fornecida por geradores com rotação de centenas de toneladas de metal a alta velocidade, talvez a solução para a falta de inércia seja fazer exatamente isso.
Alguns dispositivos e formas de armazenamento de energia são do tipo de rotação: condensadores síncronos e volantes.
Condensadores Síncronos: Adicionando Inércia às Redes de Energia
Os condensadores síncronos são motores DC cujos eixos não estão conectados a nada, mas giram livremente. Eles não estão gerando ou consumindo energia, mas ajustando as condições na rede de transmissão de energia.
Eles são, na verdade, uma boa opção para adicionar inércia à rede, mas fornecem muito poucos outros serviços. Então, se muitos deles precisam ser adicionados, isso virá como um custo extra, negando 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 pouca energia está presente na rede. Eles também podem ajudar a absorver o excesso de carga na rede por vários segundos, reduzindo os riscos de um curto-circuito.
Armazenamento de Energia de Volante para Estabilidade da Rede
Os volantes são outra opção interessante. Esses discos giratórios são basicamente baterias giratórias, armazenando energia em uma forma mecânica em vez de química.
Eles giram em um vácuo sobre um suporte magnético, girando a velocidades de até 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 adicionar à mistura de “baterias” necessárias para redes verdes, fornecendo simultaneamente inércia de frequência e armazenamento de energia. Isso os coloca acima de condensadores síncronos mais simples que não podem armazenar e enviar energia.
Soluções de Armazenamento de Energia Rotacional Alternativas
Qualquer armazenamento de energia que gire pode adicionar inércia ao sistema de rede. Então, além dos volantes, outras opções são possíveis também.
Por exemplo, a startup Cheesecake Energy oferece um pacote modular e contêinerizado de armazenamento de energia por ar comprimido. O calor gerado pela compressão é armazenado em cascalho barato em baterias de calor, e a compressão é feita com motores de caminhão reutilizados. O armazenamento e regeneração de energia também envolvem eixos de metal girando, semelhante a um gerador convencional.
Outras formas de armazenamento de energia não químicas existem, como baterias de gravidade, hidrelétricas, armazenamento de concreto, baterias de calor 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 um tipo de “serviço gratuito” fornecido por operadores de usinas de energia com geradores giratórios. Ou mais precisamente, era assumido que isso fazia parte do serviço pago quando as empresas de utilidade compravam megawatts deles.
As mudanças na geração de energia significam que um mercado de inércia mais explícito deve ser criado para incentivar a fornecimento de inércia.
Isso é algo que está sendo pioneiro por países com redes isoladas, como os estados bálticos.
Com o lançamento do mercado de frequência pela Litgrid (Lituânia), Augstsprieguma tīkls (Letônia) e Elering (Estônia), os produtores de energia podem apresentar ofertas todas as manhãs para o dia seguinte, indicando quanto de energia estão dispostos a manter em reserva.
O preço é de cerca de 0,5 centavos por quilowatt-hora, o que significa aproximadamente €1 por mês para um consumidor residencial.
Principais Desafios que Atrasam as Atualizações Globais da Rede de Energia
Falta de Transformadores Ameaça a Modernização da Rede
Um dos principais problemas em melhorar a rede de energia hoje é a falta de transformadores. Décadas de subinvestimento em infraestrutura de rede levaram a uma situação em que não apenas novo equipamento é necessário para lidar com mais consumo, mas também para substituir transformadores antigos.
Fonte: Utility Dive
Um aumento nos danos causados por furacões e incêndios florestais não ajudou.
A demanda extra também encontra problemas de oferta, pois o aço elétrico especial, vital para a redução de perdas de energia nos 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 – Diretor de Relações Governamentais da Associação Nacional de Fabricantes de Equipamentos Elétricos, ou NEMA
Falta de Cobre Pode Atrasar as Redes de Energia Renovável
Outro problema que pode atrasar as atualizações da rede de energia é a falta de recursos naturais. Embora o lítio e outros minerais para baterias possam estar em oferta adequada, não está claro se a produção global de cobre é suficiente, especialmente à medida que os veículos elétricos e outras tecnologias importantes para a eletrificação aumentam o consumo.
E mudar a direção do suprimento de cobre pode ser muito lento, com a falta esperada para persistir por anos.
“A demanda poderia ser atendida abrindo três minas de ‘nível um’ (cada uma com capacidade anual de 300.000 toneladas métricas) todos os anos por 29 anos, o que representaria uma expansão histórica para a indústria, custando mais de $500 bilhões.
As aprovações regulamentares para novas minas de cobre estão em declínio, tendo caído para o nível mais baixo em 15 anos. Isso é particularmente preocupante, considerando que as minas podem levar 10 a 20 anos para ser aprovadas e desenvolvidas”
International Energy Forum
Tarifas sobre Componentes da Rede Podem Atrasar as Atualizações dos EUA
Para os EUA, especificamente, é possível que as guerras comerciais e tarifas possam atrapalhar o fornecimento do equipamento necessário.
Em 2024, a China exportou $46,5 bilhões de transformadores elétricos, sendo o 9º produto mais exportado (de 1.211) na China, com os EUA sendo o principal destino (4,66 bilhões de dólares 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 energia de longa distância usa alumínio, que também foi sujeita a tarifas especiais de 25% neste ano. Isso pode aumentar os custos do projeto e atrasar as atualizações necessárias para a infraestrutura de energia do país.
Conclusão: Construindo uma Rede Resiliente para um Futuro Verde
Reconstruir a rede de energia para lidar com a mudança para a energia renovável é uma tarefa bastante desafiadora. Ao reduzir a importância de turbinas a gás e outras usinas de energia a combustíveis fósseis, a transição energética também está removendo uma fonte importante de estabilidade de frequência, enquanto a produção de energia se torna mais intermitente.
Em paralelo, a eletrificação significa que as redes de energia estão mais sobrecarregadas do que nunca por uma demanda constante e 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 maciços para equilibrar a intermitência da produção, provavelmente se tornarão os principais fornecedores de estabilidade de frequência. Os inversores de usinas solares também provavelmente serão mobilizados para essa tarefa.
Enquanto isso, outras tecnologias como ar comprimido, volantes e condensadores síncronos também provavelmente ajudarão.
No curto prazo, a produção insuficiente de transformadores e o aço especial que eles requerem atrasarão as melhorias da rede.
No longo prazo, a capacidade de recompensar adequadamente os fornecedores de estabilidade de frequência, a vontade política de melhorar a rede de energia e um fornecimento constante de soluções de armazenamento de energia serão os fatores-chave em uma transição energética bem-sucedida.
Investindo na Rede de Energia
GE Vernova
(GEV )
A GE Vernova é o resultado da divisão do conglomerado gigante GE em 2024 em GE Aerospace, GE HealthCare e GE Vernova, com Vernova no segmento de energia.
Nesse sentido, isso torna a GE Vernova a herdeira direta do núcleo original da empresa General Electric de 130 anos.
Com atualmente 75.000 funcionários em 100+ países, a empresa produziu 55.000 turbinas eólicas e 7.000 turbinas a gás, ajudando a gerar aproximadamente 25% da eletricidade do mundo.
Ela está presente em todos os níveis de produção e distribuição de energia, especialmente em segmentos relacionados a turbinas, como eólica, hidrelétrica e nuclear, mas também na rede de energia, onde tem $16 bilhões em projetos em carteira.
Fonte: GE Vernova
A empresa vê a demanda por energia crescer duas vezes até 2040, com 4 trilhões de dólares necessários para substituir usinas de energia a carvão, representando uma oportunidade maciça para fabricantes de equipamentos elétricos.
Fonte: GE Vernova
A GE é uma parceira próxima de muitas das maiores empresas de utilidade do mundo, incluindo a francesa Engie, a americana Duke Energy (DUK ), e a Southern Company (SO ), a alemã RWE, a espanhola Iberdrola, a Taiwan Power Company, etc.
Em relação a soluções de rede e eletrificação, a GE Vernova fornece sistemas de armazenamento de energia de bateria, condensadores síncronos, usinas de armazenamento de energia 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 de energia (gastos anuais de $1 bilhão em P&D), notadamente com a captura de carbono, cabos HVDC, turbinas a gás de hidrogênio e um projeto de reator modular pequeno (SMR) em parceria com a Hitachi.
Fonte: GE Vernova
Os problemas de fornecimento e escassez de equipamentos industriais nos EUA podem ser uma oportunidade para a empresa, graças a um plano de investimento global de $9 bilhões em novas instalações de produção e P&D até 2028. Isso inclui $50 milhões para o design de combustível nuclear de próxima geração, $300 milhões para gás e exportação de GNL, $600 milhões em fábricas nos EUA até 2026, etc.
Por causa da amplitude da atividade da GE Vernova, os investidores na ação da empresa não precisam estar certos sobre qual tecnologia vai vencer 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, as turbinas nucleares e os reatores modulares pequenos terão sucesso.
- Se o hidrogênio, a energia eólica, a energia hidrelétrica de bombeamento ou a captura e armazenamento de carbono estiverem em alta, a GE Vernova poderá capturar parte desses mercados também.
Então, no geral, a GE Vernova é uma boa ação para considerar para investidores cientes da crescente demanda por energia, da necessidade de uma melhor rede e confiantes de que a GE será parte da solução, seja com hidrelétrica, eólica, nuclear ou quase qualquer outra forma de energia.
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