Com as metas federais de redução de emissões anunciadas recentemente, um impulso para a descarbonização do setor elétrico nacional e a queda vertiginosa dos custos com energia eólica e solar, os Estados Unidos estão preparados para implantar grandes quantidades de energias renováveis e rapidamente.
Em escalas menores, centenas de cidades, estados e empresas dos EUA já tomaram medidas ousadas ao estabelecerem as suas próprias metas locais de 100% energia renovável—e com análises recentes como o Estudo de Energia 100% Renovável de Los Angeles (LA100), temos uma confiança crescente de que redes de energia fiáveis e 100% renováveis são viáveis.
Mas expandir esse objetivo final em todos os Estados Unidos apresenta um conjunto igualmente amplo de desafios - e a plausibilidade de fazer isso tem sido um tópico de debate fervoroso entre a comunidade de pesquisa de energia nos últimos anos. Agora, uma equipe de 17 especialistas em sistemas de energia do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e do Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável (EERE) do DOE está dando uma nova opinião.
A pesquisa oferece uma perspectiva extraída da experiência do mundo real na implantação de energias renováveis variáveis, da literatura e da experiência de nossa equipe estudando essas questões em detalhes nas últimas duas décadas em uma variedade de escalas - de nosso Estudo de Futuros de Eletricidade Renovável em escala nacional de 2012 ao nosso 2021 trabalhar em LA100 ”, disse Paul Denholm, principal analista de energia do NREL e autor principal do artigo. “Embora nosso foco aqui seja o sistema de energia dos EUA, muitas das questões abordadas e lições aprendidas para aplicação mais geral a outras regiões - e esses são desafios complexos e multidisciplinares que exigirão muita colaboração entre a comunidade de pesquisa para serem resolvidos.”
O mais importante primeiro: definir o que queremos dizer com rede 100% renovável
Ao analisar os desafios de alcançar uma rede 100% alimentada por energias renováveis à escala nacional, é importante primeiro definir com precisão o que queremos dizer com esta frase. Para este artigo, os autores explicam dois aspectos principais da definição: tecnologia tipo e limite do sistema.
“O tipo de tecnologia basicamente estabelece a definição da palavra renovável - que pode variar com base nos parâmetros de um estudo de pesquisa ou nas prioridades de uma comunidade que define uma meta ou política renovável”, disse Denholm. “Aqui, distinguimos entre dois tipos gerais de tecnologias: o que chamamos de tecnologias variáveis que dependem das condições climáticas de curto prazo e normalmente usam inversores, como eólica e solar fotovoltaica [PV]; e aqueles que são menos - ou nada - variáveis e normalmente usam geradores síncronos tradicionais, incluindo energia hidrelétrica, biomassa, geotérmica e de concentração de energia solar. ”
Neste artigo, os sistemas 100% renováveis não estão limitados apenas a tecnologias variáveis como energia solar fotovoltaica e eólica. No entanto, como os recursos renováveis não variáveis são geralmente restritos geograficamente, os autores geralmente assumem que os recursos variáveis constituiriam uma grande fração de uma rede 100% renovável em escala nacional.
Quando se trata de definir os limites do sistema, os autores exigem que a rede opere fisicamente com um suprimento de energia 100% renovável o tempo todo. Isso contrasta com sistemas, negócios ou entidades corporativas que atingem metas de 100% renováveis usando créditos de energia renovável, compensações ou outros mecanismos financeiros.
O que sabemos, o que pensamos que sabemos e o que não sabemos
Para enquadrar as questões mais críticas e propor uma agenda de pesquisa para soluções, os autores exploram a crescente contribuição das energias renováveis no sistema elétrico dos EUA ao longo de três linhas: 1) o que sabemos com base na experiência do mundo real, 2) o que pensamos que sabemos com base em estudos de planejamento e operação da rede, e 3) o que não sabemos sem estudo ou experiência adicional.
“Nossa ênfase está nas questões que achamos que podem ser abordadas por meio do desenvolvimento de tecnologia e engenharia, mas reconhecemos que outros tópicos são extremamente importantes - desde considerações de localização a questões de equidade energética, a desafios de política, regulamentação e design de mercado”, disse Denholm. “Queremos abrir um caminho para resolver as questões técnicas e econômicas para que possamos abordar melhor outros aspectos complexos da transição do sistema de energia.”
Em vez de focar exclusivamente no objetivo final de uma rede 100% renovável, a equipe analisa como os desafios de incorporar energias renováveis mudam com o aumento da implantação. Isso se deve em parte à falta de análises detalhadas de engenharia de sistemas 100% renováveis em escala nacional - mas também porque os planos práticos para atingir a meta não seriam desenvolvidos a partir de uma folha em branco. Soluções robustas 100% renováveis devem considerar como usar de forma otimizada os ativos do sistema de energia existentes.
“Em última análise, os desafios, custos e benefícios de engenharia das energias renováveis variam em função de sua participação no mix de geração”, disse Denholm. “100% é apenas um ponto em um continuum, então explorar custos e benefícios em todos os níveis de implantação renovável é útil.”
Dentro desta estrutura, o documento organiza os desafios técnico-econômicos de alcançar 100% de energias renováveis em todas as escalas de tempo em duas categorias: 1) manter economicamente um equilíbrio de oferta e demanda (referido como o Desafio de Equilíbrio) e 2) projetar tecnicamente confiável e estável redes que usam principalmente recursos baseados em inversores, como eólica e solar (conhecidas como Desafio do Inversor).
O desafio do equilíbrio: combinar economicamente a oferta com a demanda
O desafio do equilíbrio se resume a garantir que o sistema de energia possa equilibrar economicamente o fornecimento e a demanda em uma variedade de escalas de tempo - desde a escala crítica de segundos a minutos necessária para resistir a interrupções inesperadas, até a escala sazonal que corresponde às interrupções e manutenção programadas da usina com períodos de menor demanda.
“Recursos variáveis são apenas isso - variáveis - então eles flutuam inerentemente em várias escalas de tempo”, disse Denholm. “Há o que chamamos de incompatibilidade diurna entre o momento do pico de demanda e quando a geração solar e eólica é maior durante o dia, o que vemos em fenômenos como a curva de pato. Além disso, há uma incompatibilidade sazonal significativa entre os padrões de demanda eólica, solar e que é ainda mais difícil de resolver. ”
Este gráfico do artigo ilustra conceitualmente o Desafio do Equilíbrio em termos de como os custos e desafios esperados podem mudar com a crescente implantação de energias renováveis. Nos níveis atuais, a energia renovável é competitiva em termos de custo com as fontes de geração tradicionais em muitas regiões dos Estados Unidos porque o setor de serviços públicos tem sido capaz de lidar com a variabilidade horária e sub-horária de maneira econômica.
Além desses níveis, chegamos à segunda zona, onde estudos exploraram como o problema de incompatibilidade diurna pode ser abordado de maneira econômica para atingir contribuições anuais na faixa de 80% das energias renováveis. Mas, além desse ponto, na terceira zona, o problema de incompatibilidade sazonal pode exigir tecnologias que ainda não foram implantadas em grande escala - portanto, seus custos e requisitos não são claros.
O desafio do inversor: Projetar grades confiáveis e estáveis que dependem de recursos baseados em inversores
O Desafio do Inversor é semelhante ao Desafio do Equilíbrio, pois ambos envolvem o equilíbrio da oferta e da demanda em várias escalas de tempo. Mas o Desafio do Inversor é diferente, pois as preocupações estão estritamente focadas em um conjunto de considerações de engenharia específicas, em oposição às questões econômicas mais amplas associadas ao Desafio do Equilíbrio.
O Desafio do Inversor trata de questões associadas à transição para uma rede dominada por recursos baseados em inversores (IBRs) - principalmente geração eólica e solar fotovoltaica, junto com armazenamento de bateria.
A maior parte da energia elétrica nos Estados Unidos é atualmente derivada de turbinas acopladas a geradores síncronos; os geradores são eletricamente acoplados e girando na mesma frequência. Para fornecer uma rede confiável e estável, os planejadores e operadores do sistema aproveitaram várias características inerentes aos geradores síncronos, incluindo a inércia rotacional (energia cinética armazenada em grandes massas rotativas) e a capacidade de injetar grandes quantidades de corrente na rede. Essas características são a base da estabilidade e proteção do sistema de potência tradicional.
“Recursos baseados em inversores têm características muito diferentes em comparação com geradores síncronos, incluindo uma falta de resposta inercial fisicamente acoplada e, historicamente, uma capacidade limitada de fornecer grandes quantidades de corrente em condições de falha”, disse Ben Kroposki, diretor de Engenharia de Sistemas de Energia do NREL Centro e co-autor do artigo. “Portanto, como dependemos mais de recursos baseados em inversores, eles precisarão fornecer serviços atualmente fornecidos por geradores síncronos - o que pode significar mudanças na forma como o sistema de energia é controlado e protegido.”
Então, o que não sabemos?
O documento explora o Desafio do Equilíbrio e o Desafio do Inversor em detalhes - incluindo as questões significativas sem resposta que permanecem quando se trata de se aproximar ou alcançar 100% de energias renováveis em escala nacional para todas as horas do ano.
“Não há uma resposta simples para o quanto podemos aumentar a implantação de renováveis antes que os custos aumentem drasticamente ou a confiabilidade seja comprometida”, disse Denholm. “Quanto à 'última porcentagem' do caminho para 100%, não há consenso sobre um caminho claro e eficaz em termos de custos para abordar o Desafio do Equilíbrio e o Desafio do Inversor em escala nacional.
“Os estudos não encontraram nenhum limiar técnico específico no qual a grade 'quebra', e não podemos simplesmente extrapolar a partir de análises de custo anteriores porque, quando se trata do futuro, há muitas não linearidades e incógnitas desconhecidas - coisas que nem mesmo sabe, não sabemos ainda. ”
Os autores afirmam que pesquisas adicionais são necessárias para avaliar o conjunto de tecnologias que podem ajudar a garantir que a oferta renovável corresponda aos padrões de demanda em todos os períodos de tempo - e que precisaremos de engenharia e design significativos para fazer a transição da rede de uma que é dependente de máquinas síncronas para uma que é baseado em inversores.
Para onde vamos daqui? Uma chamada para colaboração - e contínua reavaliação
A concretização de um futuro de alta eletricidade renovável para os Estados Unidos exigirá mais do que apenas abordar os Desafios do Equilíbrio e do Inversor - incluindo o acesso a recursos, questões ambientais, de mercado e de comportamento humano que podem afetar o projeto e o ritmo de obtenção de eletricidade 100% renovável . Esses são desafios complexos e multidisciplinares que não podem ser resolvidos por nenhuma entidade e exigirão colaboração entre comunidades de pesquisa técnica, academia, laboratórios e indústria.
“As perguntas não respondidas em nosso artigo fornecem uma agenda de pesquisa para a análise, P&D de tecnologia e engenharia necessária para alcançar sistemas 100% renováveis com boa relação custo-benefício”, disse Dan Bilello, diretor do Centro de Análise de Energia Estratégica do NREL e co-autor do artigo . “Não precisamos apenas de novas ferramentas e conjuntos de dados para avançar em estudos futuros, mas precisamos de terminologia mais uniforme e interação facilitada entre pesquisadores e organizações de pesquisa, especialmente em diferentes campos.”
Além do mais, os autores apontam para a necessidade de reexaminar continuamente o caminho mais eficaz em direção às metas nacionais de redução de emissões e descarbonização - seja por meio de eletricidade 100% renovável ou por meio de outra combinação de tecnologias de baixo carbono.
“No momento, é difícil estabelecer uma base econômica para alcançar esses benefícios ambientais em uma rede alimentada exclusivamente por energias renováveis”, disse Denholm. “Reduzir economicamente as emissões gerais provavelmente envolverá alcançar uma geração renovável muito alta, mas potencialmente abaixo de 100%, enquanto também se concentra em descarbonização outros setores, ou mantendo recursos não renováveis, mas de baixo carbono na mistura. ”
O estudo LA100 - embora não em escala nacional - descobriu que eletrificar os setores de veículos e edifícios pode levar a melhorias substanciais na qualidade do ar - e que obter esses benefícios é principalmente uma questão de alcançar alta eficiência energética e eletrificação, independente de qualquer fonte renovável em particular caminho da energia para o setor elétrico. LA100 também descobriu que as restrições de tecnologia resultam em custos mais altos quando se trata de atender os últimos 10% da demanda de eletricidade com energia renovável - com reduções incrementais mínimas de emissões.
“Olhando para o futuro, pesquisas contínuas, análises e uma abordagem adaptável para soluções de tecnologia ajudarão a orientar a indústria de eletricidade e aumentar nossas chances de atingir as metas de descarbonização que estamos almejando quando falamos em 100% renováveis”, disse Denholm.