Três abordagens para a estabilização da rede
Em todo o mundo, as fontes de energia alternativas estão a ser ligadas às redes de serviços públicos para melhorar a sustentabilidade e reduzir os impactos ambientais. No entanto, a proliferação de fontes de energia pode tornar a gestão da rede mais complexa. Este artigo analisa rapidamente algumas abordagens de resposta e mostra como os bancos de carga podem oferecer valor.
Dores de crescimento
As redes de serviços públicos ligam normalmente várias centrais eléctricas a clientes numa vasta área. Para garantir um funcionamento seguro e adequado, a tensão, a frequência e outras caraterísticas eléctricas da rede devem ser mantidas dentro de intervalos específicos. Se estes parâmetros se desviarem do intervalo, a rede pode tornar-se instável, produzindo efeitos que afectam ou danificam o equipamento da rede eléctrica. Um efeito ... quando a quantidade de energia na rede excede a procura, a sua tensão de funcionamento pode aumentar, criando um efeito de inversão de energia que pode danificar o equipamento de produção de energia nas centrais eléctricas.
Poder-se-ia concluir que as empresas de eletricidade deveriam reduzir a sua produção de energia, diminuindo ou encerrando as centrais de produção. Podem fazê-lo ... até certo ponto. No entanto, os equipamentos de produção das centrais eléctricas, que normalmente envolvem grandes caldeiras a vapor e turbinas a vapor complexas e sensíveis, podem não ser capazes de funcionar corretamente sem produzir uma quantidade mínima de energia. Além disso, uma empresa de serviços públicos pode ter de suportar despesas elevadas e perdas de exploração se o seu equipamento de produção não for carregado como previsto. Por estas e outras razões, as empresas de eletricidade precisam de manter níveis básicos de produção de energia.
Soluções potenciais
Há uma variedade de soluções para gerir o excesso de energia que, de outra forma, desestabilizaria uma rede eléctrica. As secções seguintes analisam brevemente três abordagens.
1. Armazenar o excesso de energia para utilização quando a procura aumenta
Baterias de armazenamento
Podem ser utilizados vários meios para armazenar o excesso de energia para consumo quando a procura excede a oferta. Uma abordagem é a utilização de baterias de armazenamento, que se carregam sempre que o excesso de energia fica disponível, descarregando depois quando a procura aumenta. Se o fizermos em grande escala, podemos aplicar carga suficiente para evitar uma situação de inversão de energia e satisfazer os picos de procura. Talvez o exemplo mais famoso de uma solução de armazenamento de baterias seja a Reserva de Energia de Hornsdale, perto de Adelaide, no Sul da Austrália, que utiliza tecnologia e equipamento desenvolvidos pela Tesla.
Esta abordagem não está isenta de limitações. Uma delas é o facto de as baterias terem uma capacidade finita de armazenamento de energia. Este facto torna-se relevante quando a área servida por uma rede sofre um período prolongado de tempo ensolarado e temperado. Quando as baterias atingem a sua capacidade, deixa de haver capacidade para absorver o excesso de energia. Sem outro meio para absorver ou consumir essa energia, as baterias podem não conseguir estabilizar a rede depois de totalmente carregadas.
Além disso, os defeitos de conceção ou de fabrico podem resultar em condições como a fuga térmica, em que as baterias ficam suficientemente quentes para provocar um incêndio ou danos térmicos. Em fevereiro de 2018, a Comissão de Segurança dos Produtos de Consumo dos EUA comunicou mais de 25 000 incidentes de sobreaquecimento ou incêndio envolvendo mais de 400 tipos de dispositivos de consumo alimentados por baterias de lítio ao longo de cinco anos. 1 Maisrecentemente, as baterias de iões de lítio que alimentam automóveis podem ter desempenhado um papel num incêndio que resultou no afundamento de um navio de carga. 2
Armazenamento de energia hidráulica
Outro meio de armazenamento de energia é a produção hidroelétrica. Um reservatório de água pode ser criado para armazenar água acima de outro curso de água através da construção de uma barragem hidroelétrica. Durante os períodos de excesso de energia, a energia da rede eléctrica é utilizada para bombear a água do curso de água para o reservatório. Quando a procura de energia aumenta, a água armazenada é libertada da albufeira através de equipamento de produção na barragem para produzir energia. A central eléctrica de Yards Creek, em Nova Jersey, EUA, é um exemplo. A água é bombeada diariamente do rio Delaware para duas albufeiras quando a procura de energia é baixa, sendo depois libertada de novo para o rio quando a procura de energia é alta. Os reservatórios cobrem mais de 450 acres (182+ hectares), armazenam mais de 10.000 acre-feet (~13 milhões de metros cúbicos) de água e podem fornecer até 420 megawatts de energia.3
Apesar de todos os seus benefícios, os projectos de armazenamento de energia apresentam múltiplas caraterísticas que devem ser consideradas. Estas incluem:
Requisitos de espaço: O armazenamento de energia em escala requer espaço, potencialmente muito espaço. Para um projeto de armazenamento de baterias, a pegada do equipamento pode ser grande, para um reservatório, muito maior ainda. Consequentemente, estas instalações funcionam melhor fora das áreas urbanas, onde o espaço é menos provável de estar disponível e as comunidades circundantes seriam mais afectadas por potenciais impactos.
Capacidade finita de absorção de carga: Quando as baterias estão totalmente carregadas ou um reservatório está cheio, a solução não pode mais ser usada para estabilizar a rede quando há excesso de energia disponível. Da mesma forma, uma solução de armazenamento de energia completamente cheia não pode distribuir energia até que a demanda suficiente retorne.
Impactos ambientais: O ciclo de vida das soluções de armazenamento de energia tem impacto no ambiente, embora de formas diferentes. No caso das baterias, as preocupações ambientais começam com a extração de minerais, estendem-se ao fabrico e depois à eliminação das substâncias tóxicas utilizadas na sua construção. No caso da energia hidroelétrica, a construção de uma barragem e de um reservatório consome uma grande área de terra que, de outra forma, poderia ter valor ecológico, agrícola ou económico.
Considerações de segurança: As baterias sobrecarregadas podem apresentar problemas de segurança. Eventos como incêndios em produtos electrónicos de consumo e na própria instalação de armazenamento de baterias da Tesla mostram os resultados potenciais de problemas em sistemas de armazenamento de baterias em pequena e grande escala. As barragens utilizadas para criar reservatórios fornecem normalmente um serviço fiável, mas devem ser adequadamente concebidas, construídas, inspeccionadas e mantidas para evitar riscos indevidos para as comunidades a jusante. Independentemente da tecnologia, o armazenamento de grandes quantidades de energia num único local exige precauções para evitar eventos que possam afetar a saúde humana, a segurança ou o ambiente.
2. Convertero excesso de energia em combustível
O excesso de eletricidade pode alimentar a eletrólise da água, um processo relativamente simples que produz gases de hidrogénio e oxigénio. Já existem utilizações industriais para estas substâncias, e o hidrogénio pode ser utilizado como combustível. O oxigénio é também utilizado nos cuidados de saúde. Sendo um combustível de queima mais limpa, a utilização mais ampla do hidrogénio poderá desempenhar um papel nas estratégias energéticas futuras e tem sido sugerida como combustível de substituição para veículos a motor e outras aplicações que atualmente dependem do petróleo.
Algumas das preocupações com a conversão do excesso de energia em hidrogénio incluem:
- As instalações de produção e armazenamento de hidrogénio requerem espaço adequado. As empresas de serviços públicos podem não ser capazes de colocar estas instalações onde existe excesso de energia, exigindo assim a construção de infra-estruturas de transporte para os locais de produção.
- A utilização do excesso de energia da rede depende do bom funcionamento de qualquer processo ou instalação de fabrico de hidrogénio. Se a produção de hidrogénio for interrompida, a instalação não pode ser utilizada para estabilizar a rede quando necessário.
- O fabrico de produtos químicos ultrapassa os interesses comerciais existentes e as competências essenciais da maioria dos produtores de eletricidade. O recurso a terceiros para utilizar o excesso de energia na produção de hidrogénio poderia introduzir riscos comerciais.
- O hidrogénio e o oxigénio são gases explosivos que são normalmente armazenados sob pressão, apresentando assim riscos de segurança que devem ser geridos.
- Para além das utilizações actuais, não existem infra-estruturas para uma "economia do hidrogénio" emergente. Sem infra-estruturas adicionais, poderá não haver procura para todo o hidrogénio que poderia ser produzido.
- Pode não ser prático localizar a produção de hidrogénio perto de locais onde exista excesso de energia, especialmente em zonas densamente desenvolvidas.
- Tal como as soluções de armazenamento de energia acima referidas, a produção de hidrogénio não pode ser utilizada para estabilizar uma rede depois de as instalações de armazenamento estarem cheias até à sua capacidade máxima.
3. Absorver e dissipar o excesso de energia utilizando bancos de carga
Os bancos de carga são dispositivos eléctricos que convertem energia em calor, que é subsequentemente dissipado para o ambiente circundante. Fáceis de instalar e operar, não dependem da conversão química da energia como as baterias de armazenamento e a produção de hidrogénio.
Os bancos de carga adequados estão atualmente disponíveis para a indústria energética e oferecem uma área de implantação compacta, bem como custos de capital e de funcionamento favoráveis. Além disso, podem funcionar independentemente das condições climatéricas e, como nunca estão "cheios", podem fornecer cargas estabilizadoras indefinidamente. Podem ser utilizados praticamente em qualquer lugar onde exista excesso de energia.
Ao contrário das outras soluções analisadas, os bancos de carga dissipam o excesso de energia. Enquanto as outras soluções utilizam parte da energia excedente para converter energia de uma forma para outra, os bancos de carga absorvem toda a energia excedente. Neste sentido, a eficiência das redes que utilizam bancos de carga pode ser inferior à das redes estabilizadas por outros meios. No entanto, ao comparar esta ineficiência com as consequências de uma rede eléctrica instável ou danificada, os bancos de carga podem tornar-se uma opção atractiva.
Resumo
A proliferação de fontes de energia alternativas oferece benefícios em termos de sustentabilidade, mas pode dificultar o funcionamento de uma rede de serviços públicos fiável. Quando novas fontes resultam em excesso de energia, são necessárias soluções para garantir o funcionamento adequado e fiável da rede de serviços públicos. O armazenamento de energia em baterias e reservatórios de água pode ajudar a estabilizar as redes, absorvendo a energia quando há excesso de oferta e libertando a energia armazenada de volta para a rede quando a procura de energia é maior. Do mesmo modo, a energia pode ser utilizada para fabricar combustível para utilização posterior. Estes tipos de soluções requerem espaço, apresentam problemas de segurança e logística e oferecem capacidades finitas de armazenamento de energia. Em contraste, os bancos de carga oferecem uma solução de estabilização compacta e fiável para gerir o excesso de energia e estão disponíveis para o fazer agora.
1Comissãode Segurança dos Produtos de Consumo dos Estados Unidos. Relatório de estado do projeto de baterias de alta densidade energética. 12 de fevereiro de 2018. p.4. https://www.cpsc.gov/s3fs-public/High_Energy_Density_Batteries_Status_Report_2_12_18.pdf?UksG80UJqGY0q4pfVBkbCuUQ5sNHqtwO, acedido em 11 de março de 2020.
2QuartzMedia, Inc. As baterias de iões de lítio estão a alimentar o fogo de um cargueiro em chamas cheio de Porsches. Aurora Almendral. 21 de fevereiro de 2022. https://qz.com/2130711/electric-vehicles-make-it-harder-to-quell-fire-on-felicity-ace-cargo-ship/, acedido em 14 de março de 2020.
3NationalAssociation of Utility Regulatory Commissioners. Nexus between Water and Electricity: A Visit to the Yards Creek Pumped-Storage Hydro Station". Uprenda Chivukula. Sem data. https://www.naruc.org/bulletin/the-bulletin-03-08-2018/nexus-between-water-and-electricity/, acedido em 11 de março de 2020.
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