Armazenamento de energia com usinas hidrelétricas reversíveis

A demanda pela conversão da matriz energética global para uma matriz limpa e renovável deixa de ser um desejo e passa a ser uma necessidade diante dos impactos ambientais, econômicos e sociais das fontes tradicionais de energia.

A mudança da matriz energética não depende somente de boa vontade política e condições econômicas. Existem dificuldades técnicas com a entrada de um número expressivo de usinas de grande porte de fontes intermitentes como a solar e a eólica, que exigem a adoção de sistemas de armazenamento para a estabilização do sistema elétrico em diferentes janelas de tempo.

Estabilidade da rede e excesso de energia solar

Uma rede de distribuição de energia geralmente não possui qualquer elemento de acúmulo de energia. O ONS (Operador Nacional do Sistema) deve a todo instante analisar a quantidade de energia gerada e a quantidade de energia consumida de forma a equilibrar os dois números.

O excesso ou a falta de geração de energia pode causar desequilíbrios de tensão e frequência na rede, ocasionando instabilidade e falhas em cascata que podem, em casos extremos, causar um desligamento em grande escala.

A alta penetração de fontes intermitentes em uma rede elétrica sem armazenamento torna o controle da estabilidade muito difícil.

O armazenamento de energia é uma peça chave para permitir a expansão do uso de fontes de energia como a solar e a eólica, mitigando problemas com a estabilidade das redes.

Além do problema da entrada de novas fontes de energia, os sistemas elétricos tradicionalmente sofrem com os perfis de consumo, que mudam ao longo dos dias e dos meses do ano.

A Figura 1 mostra uma curva de carga típica do sistema elétrico brasileiro em um dia de verão. Em determinados horários ocorrem picos de consumo, causados principalmente pelo uso de aparelhos de ar condicionado.

Além dos picos diários, que exigem o constante controle do despacho de usinas hidrelétricas e termelétricas, esses perfis mudam ao longo do tempo e exigem a adoção de diferentes estratégias de despacho ao longo do ano.

A adoção massiva de sistemas de armazenamento nos sistemas elétricos, além de facilitar a penetração de novas fontes intermitentes, pode tornar mais suave o controle das redes, poupando água nos reservatórios das hidrelétricas e evitando a entrada de usinas termelétricas para suprir demandas de ponta.

A operadora californiana CAISO (California Independent Service Operator) é um exemplo de distribuidora com forte penetração de energia solar. Tendo como exemplo o dia 22 de julho de 2020 (verão norte-americano) podemos perceber (Figuras 2 e 3) que no horário de máxima geração de energia solar essa fonte representava 12 GW de potência, contra cerca de 25 GW de potência total, mostrando então uma participação de quase 50% da potência de geração disponível na rede.

Nas figuras anteriores, enquanto a geração solar está em seu ápice, as outras fontes são controladas para ter a sua potência diminuída e garantir a estabilidade do sistema de distribuição.

Porém, no final da tarde a energia solar diminui drasticamente, enquanto a demanda por energia sobe, assim como exemplificado na Figura 1 para o sistema elétrico brasileiro.

Esta diferença entre potência disponível e potência requisitada faz com que seja necessário um aumento brusco de potência das outras fontes de geração (na rede da CAISO, principalmente o gás natural, as hidrelétricas tradicionais e a compra de energia de estados vizinhos) e traz dificuldades para o operador do sistema.

Um local com muita geração solar precisará em algum momento de tecnologias de armazenamento ou de usinas termelétricas ou hidráulicas para complementar sua geração.

A Figura 4 ilustra curvas que mostram o comportamento horário da demanda de energia da rede elétrica da operadora CAISO ao longo do dia. A queda brusca de consumo no início do dia e o aumento brusco no final da tarde causam a necessidade de ativação de usinas auxiliares de fontes despacháveis e não-renováveis.

A Figura 5, por sua vez, exibe diferentes curvas de consumo de uma rede elétrica para um mesmo dia em diferentes anos, mostrando como o perfil de consumo vem se modificando ao longo dos anos, tornando mais complexa a gestão das redes de eletricidade, fato que pode ser agravado pela penetração de fontes de energia intermitentes.

Vale lembrar que esta situação não ocorre para baixos níveis de penetração, como no caso brasileiro, em que somente uma pequena fração da energia vem das fontes solar e eólica – situação que deverá se modificar nos próximos anos.

Armazenamento de grande escala com usinas hidráulicas reversíveis

Uma solução proposta para o cenário de alta penetração de fontes intermitentes, como é o caso da solar e da eólica, é o armazenamento de energia em grande escala. Podemos utilizar o armazenamento para suavizar as bruscas variações das curvas de potência das usinas de energia solar e eólica, ou ainda para absorver os picos de geração durante os períodos de maior geração.

Uma curva de geração mais suave permite maior segurança da rede, já que as variações de fluxo de potência são mais lentas, e também resolve uma crítica comum para as fontes intermitentes, que requerem o auxílio de usinas termelétricas nos momentos de alto consumo e baixa geração.

A presença de sistemas de armazenamento aumenta a previsibilidade de geração, reduzindo a dependência de fontes complementares poluentes nos sistemas com forte penetração das fontes solar e eólica.

Outro aspecto no qual os sistemas de armazenamento em grande escala podem ser benéficos é na associação com modelos de previsão de clima e com o planejamento de geração das fontes intermitentes.

Já existem estudos que correlacionam modelos climáticos [3] para a previsão de geração de energia solar ou eólica, associada com sistemas de armazenamento e controle, a fim de reduzir a intermitência dessas fontes.

O armazenamento de energia está muito associado à ideia de baterias elétricas, que são ótimas principalmente para armazenamento de curto prazo e geralmente têm ciclos diários de carga e descarga.

Esse tipo de sistema de armazenamento tem um papel importante em muitos cenários existentes nas redes elétricas – e inclusive é o mais apropriado para aplicações junto a pequenos geradores (como de geração distribuída, por exemplo).

Para permitir uma grande penetração de fontes como a energia solar nos sistemas elétricos é essencial que além de armazenamento de curto prazo com baterias (ciclos de horas ou dias), tenhamos disponível armazenamento de grande escala (médio e longo prazos), com capacidade de armazenamento de semanas, meses e até anos.

Dentre os meios de armazenamento de energia de médio e longo prazos, o que mais se destaca e é alvo de muitos estudos [4] é o bombeamento de água para reservatórios de usinas hidrelétricas com o uso de energia solar e eólica.

Este tipo de sistema emprega usinas hidrelétricas reversíveis associadas a fontes de energia solar ou eólica, podendo operar com a fonte solar de duas formas distintas: híbrida (com despacho de energia solar para a rede) ou exclusiva (solar somente para bombeamento).

Uma usina hidrelétrica híbrida é aquela em que a energia solar é utilizada para complementar a geração da usina hidrelétrica e, se necessário (cenário de alta penetração e excedente de energia solar), utilizar sua energia para bombear água para o reservatório.

Já a energia solar exclusiva para bombeamento não tem conexão direta com a rede de distribuição, sendo utilizada somente para bombear a água, com a vantagem de ter implementação mais barata e simples.

O bombeamento de água para reservatórios de usinas hidrelétricas é um processo com eficiência de cerca de 80% [5]. Apesar de menos eficiente do que as baterias eletroquímicas, o armazenamento com bombeamento de água está disponível em grande escala e pode permitir a penetração massiva das fontes solar e eólica nos sistemas elétricos.

No lugar de despachar a energia de forma intermitente para a rede, armazena-se a energia nas baterias hidráulicas para posterior utilização, conforme a demanda.

Os reservatórios das usinas reversíveis (que possuem sistemas de bombeamento) são verdadeiras baterias hidráulicas de energia, que podem ser carregadas ou descarregadas como as baterias eletroquímicas tradicionais.

Em momentos de excedente de energia solar a água é bombeada para o reservatório alto. Em momentos de maior demanda de energia, a usina hidrelétrica aumenta a sua vazão para as turbinas de geração.

Este tipo de armazenamento é capaz inclusive de guardar energia para longos períodos de tempo. Por exemplo, o excedente de energia solar no verão pode transformar-se em energia potencial armazenada (aumento do nível dos reservatórios de água) e convertida em energia elétrica através da vazão de água pela hidrelétrica no inverno.

Com o uso de modelos de previsão climática, podemos armazenar energia para semanas chuvosas ou nubladas em que a geração de energia solar é muito prejudicada.

Os módulos fotovoltaicos podem inclusive ser instalados em estruturas flutuantes nos reservatórios, diminuindo a evaporação da água, melhorando seu desempenho devido à redução da temperatura e aproveitando uma área antes ociosa.

Este tipo de armazenamento não vem sem seus desafios: a construção de novas hidrelétricas envolve grandes investimentos e impactos ambientais. A resposta para este problema é a readequação de usinas existentes.

A implantação de usinas fotovoltaicas flutuantes e a instalação de bombas d’água formam uma combinação perfeita, que não exige grandes reformas das usinas existentes.

Já existem no mundo usinas onde a própria turbina que gira com a queda d’água já possui um mecanismo de bombeamento integrado que devolve a água ao reservatório superior quando há excedente de geração, conforme ilustra a Figura 9.

No sistema ilustrado a água é bombeada para o reservatório superior quando há excesso de energia no sistema e é escoada nos momentos de pico de consumo, elevando o despacho de energia elétrica para a rede conforme a demanda.

Um projeto muito interessante de usina hidráulica reversível combinada com geração solar está sendo realizado na Austrália pela companhia Genex Power. A usina vai usar como reservatório a cratera de uma mina desativada.

Uma usina solar próxima fornecerá energia para o bombeamento, permitindo o armazenamento da energia solar para posterior despacho nos picos de consumo. A usina solar tem potência de 270 MW e o reservatório tem capacidade para armazenar 200 MWh.

As usinas reversíveis no Brasil e no mundo

Usinas hidrelétricas reversíveis já são realidade em muitos países, inclusive no Brasil. Em 2019, segundo a IEA (International Energy Agency, Agência Internacional de Energia), o mundo já contava com 127 GW de usinas hidrelétricas reversíveis, o que representava 99% de toda a potência global de armazenamento.

O mesmo órgão prevê que em 2050 devemos chegar a 309 GW de potência em usinas hidrelétricas reversíveis associadas a fontes renováveis. Hoje o mundo conta com 1267 GW de usinas hidrelétricas tradicionais, sem reversibilidade.

O Brasil é referência mundial em usinas hidrelétricas, com participação elevada dessa fonte em sua matriz energética, em torno de 60%. Mesmo com expertise na área, o país conta com muito poucas usinas hidrelétricas reversíveis.

Um levantamento realizado recentemente [7] mostra que, tanto em quantidade quanto em potência, o país se encontra atrasado no uso desse tipo de armazenamento, com apenas 4 usinas em operação.

Tabela 1: Usinas hidrelétricas reversíveis no Brasil

Boa parte dos recursos hídricos do Brasil já foi explorada. Devido aos entraves ambientais causados pelo alagamento de grandes áreas e a dificuldade econômica de realizar investimentos na construção de novas usinas, é esperado que haja diminuição no número de novos empreendimentos do tipo.

Embora o país ainda tenha muito potencial de crescimento das energias solar e eólica antes que dificuldades técnicas como no caso da CAISO apareçam, é inevitável que os órgãos responsáveis pelo planejamento energético passem a incentivar a construção de usinas hidrelétricas reversíveis ou promover a adaptação de usinas existentes para este fim.

Atualmente a grande discussão sobre a viabilidade destes empreendimentos gira em torno de três fatores [8]:

• O modelo de remuneração deste tipo de aplicação somente remunera a energia gerada e não os benefícios de disponibilidade de potência, armazenamento e estabilidade da rede que a tecnologia permite;
• Alto custo de bombeamento;
• Licenciamento ambiental de topos de morros.

O custo da solução, somente analisando o aspecto de energia solar fotovoltaica, deve diminuir acompanhando o mercado solar, junto com o desenvolvimento de novas soluções de bombeamento e o reaproveitamento de áreas alagadas com painéis solares flutuantes.

Já no aspecto ambiental, propõe-se uma flexibilização para a construção de reservatórios artificiais em topos de morros.

Um futuro com grande participação das usinas reversíveis não está longe de acontecer. Já existe no Plano Decenal de Expansão de Energia [9] a previsão de construções de usinas reversíveis no Brasil a partir de 2026.

Usinas reversíveis, aliadas a outros tipos de sistemas de acumulação de energia, são essenciais para garantir um cenário com alta penetração de fontes de energia renováveis na matriz energética.

Referências

[1] Análise dos benefícios da adesão à tarifa branca como forma de gestão energética residencial. Evandro André Konopatzki, Samir Ferreira, Filipe Marangoni, 2015

[2] What the duck curve tells us about managing a green grid, CAISO, Califórnia, EUA

[3] Optimal operation scheduling of pumped storage hydro power plant in power system with a large penetration of photovoltaic generation using genetic algorithm. Aihara R, Yokoyama A, Nomiyana F, Kosugi N. In: Power Tech, 2011 IEEE Trondhaim 2010

[4] A review of mechanical energy storage systems combined with wind and solar applications. Mahmoud, M., Ramadan, M., Olabi, A.-G., Pullen, K., & Naher, S. Energy Conversion and Management, 2020

[5] Pumped hydro energy storage system: A technological review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Rehman, S., Al-Hadhrami, L. M., & Alam, M. M. , 2015

[6] Solar-wind-pumped hydro energy storage systems: review and future perspective. Javed, M. S., Ma, T., Jurasz, J., & Amin, M. Y. Renewable Energy, 2020

[7] Usinas hidrelétricas reversíveis no Brasil e no mundo: aplicação e perspectivas. Canales et al. Revista Eletrônica em Gestão, Educação e Tecnologia Ambiental Santa Maria. v. 19, n. 2, mai-ago. 2015

[8] Usinas Hidrelétricas Reversíveis: Uma breve revisão conceitual e perspectivas para o cenário brasileiro. Thiago Modesto de Abreu, Bernalize Vila Nova, Edson Bortoni, José Lima, 2020

[9] Plano decenal de expansão e energia 2030, EPE

[10] Today’s Outlook, CAISO, Califórnia, EUA