Vários artigos traduzidos da revista The Economist, de 8 Abril 2023, sobre redes elétricas:
Link original aqui.
Leaders: Hug pylons, not trees
The case for an environmentalism that builds
A pura grandiosidade de uma turbina eólica de 5-megawatts (o seu suporte central da altura de um arranha-céus, os seus rotores do tamanho de asas de aviões) a lavrar os céus, é algo de assombroso. A impetuosidade, em estado sólido, com que um campo de painéis solares suga a luz do sol já não oferece uma inspiração tão óbvia, mas pode, mesmo assim, provocar assombro aos aficionados. Junta-se-lhes algumas ovelhas a pastar, a uma distância segura, e essa imagem quase que pode passar por pastoral. As linhas de alta tensão suportadas por torres esqueléticas de metal é que, de uma forma geral, geram menos fãs. Mas vamos ter que passar a gostar delas.
Sendo o grande objetivo estabilizar o clima global, é crucial impedir que a produção de eletricidade gere emissões derivadas de combustíveis fósseis. E também será necessário aumentar em muito a quantidade de eletricidade disponível. Com mais capacidade produtiva, será possível eletrificar tanto veículos como sistemas de aquecimento residenciais, em vez de estar a queimar combustíveis sujos. A expansão do acesso à energia até às populações nos países mais pobres irá reduzir as emissões da queima de biomassa e aumentar em muito os padrões de vida. Eletricidade mais abundante e fiável será necessária para uma adaptação efetiva. Se não quisermos que as ondas de calor se tornem ainda mais letais (ver artigo aqui), as redes nos países em vias de desenvolvimento terão que alimentar fiavelmente os aparelhos de ar condicionado em cidades sedentas de energia.
O problema é que a magnitude das alterações necessárias para adaptar as redes elétricas pelo mundo fora é muito subestimada. Está-se a fazer muito pouco investimento nesta área. As regras de planeamento só atrapalham. E, o que é profundamente irónico, alguns dos maiores defensores do abrandamento das alterações climáticas não aceitam a lógica de que para obter resultados, será necessário construir mais.
Como é explicado pelo nosso Relatório de Tecnologia, a expansão da rede e o processo de torná-la mais «verde» será exigente - e fenomenalmente caro. Um relatório recente da Energy Transitions Commission, um grupo mundial de peritos, apresenta a divisão em custos entre nova capacidade de geração necessária para uma oferta ampla de eletricidade limpa e a distribuição, transporte e sistemas de armazenamento necessários para fazer com que essa oferta seja útil como cerca de 55:45 (isto é 55% para nova produção e 45% para distribuição, transporte e armazenamento). Os 45% dedicados à rede e armazenamento traduzir-se-ão em cerca de 1,1 biliões de dólares, anualmente, entre este ano e a metade do século. Contextualizando, a International Energy Agency, um centro de estudos intergovernamental, estima que os gastos atuais mundiais em redes elétricas são de cerca de 260 mil milhões de dólares: muito menos do que o necessário e, o que também é significativo, menos do que é investido a montante, em petróleo e gás.
Além de investimentos em novos projetos, os já planeados devem ser concretizados mais rapidamente. Demasiados deles sofrem atrasos devido a burocracias; e o mesmo destino afeta novas linhas de transporte, que também serão vitais. As reformas às regras de planeamento deverão tornar mais fácil a construção de infraestruturas grandes que, muitas vezes, sofrem também de impopularidade.
Para este planeamento funcionar, e para fazê-lo legitimamente, também será necessário haver menos objeções às próprias construções. Isso faria com que os políticos mais tímidos ficassem mais confortáveis face a legislação que permita a descomplicação das coisas; iria acelerar o aparecimento de nova capacidade de produção (indispensável); e, ao reduzir a incerteza, iria baixar o custo dos investimentos.
Uma via possível é o dos incentivos. As redes modernas permitem que haja mais mercados de energia locais; tornam mais viável, por exemplo, baixar o custo da eletricidade a quem vive perto de um parque eólico, ou cuja propriedade seja necessária para a instalação de linhas de transporte. Um modelo em que alguns códigos postais em Inglaterra têm preços de eletricidade mais baixos quando o vento está a fazer girar uma turbina próxima parece ter dado bons resultados. Preços variáveis podem: tanto favorecer populações perto de renováveis, como melhorar a eficiência total da rede.
A abordagem a tais incentivos será importante. Estudos na Alemanha mostraram que, quando os proprietários recebem dinheiro mas o resto da comunidade não recebe nada, os protestos aumentam. Mesmo quando todos recebem uma parte, não há garantias de que os projetos sejam bem sucedidos; o facto dos indivíduos receberem dinheiro faz com que reflitam nas contrapartidas, naquilo de que estão a abdicar. Outros estudos europeus mostram que a comunicação clara e objetiva sobre a descarbonização que um dado projecto poderá oferecer parece dar melhores resultados do que incentivos económicos.
We had to loot the planet in order to save it
O que leva-nos ao cerne da questão. As maiores objeções às novas construções são muitas vezes invocadas em nome do ambiente, e por aqueles mais preocupados com um futuro mais «verde». Poderão dizer que a paisagem deve ser preservada, ou que estas árvores são muito antigas para abater, ou que tal colónia de aves, em si mesma, é demasiado importante.
Mas as alterações climáticas são um problema com uma magnitude diferente de quase todas as outras preocupações ambientais, e de um tipo diferente. O facto de ter sido trazido à atenção do mundo principalmente pelos mais ambientalmente conscientes é de louvar. Mas não pode ser tratado apenas pelos métodos usados pelo ambientalismo clássico. Os mais empenhados em atingir a transição energética devem reconhecer que construir mais é o rumo mais prático.
E é o crescimento económico que tornará isso possível: a construção de novas linhas de transporte, instalações de energia renovável à escala dos gigawatts, e as minas de onde extrair os minerais necessários para todas estas coisas. Demonizá-lo, como alguns ambientalistas fazem, irá expôr o mundo a mais alterações climáticas e não a menos. Muitos políticos ambientalmente conscientes anunciam agora os «empregos verdes» que as suas políticas criarão. Mas a criação de novos empregos só faz sentido no contexto do crescimento económico contínuo que eles próprios proporcionarão.
Aqueles que acreditam que mais crescimento não poderá impedir as alterações climáticas gostam de citar Albert Einstein, no seguinte: «Não podemos resolver os nossos problemas usando a mesma lógica que usámos quando os criamos.» Mas há dois problemas com esta citação. Primeiro, é que não há provas de que Einstein realmente a tenha dito. E o segundo é que, mudar a forma de pensar de todo o mundo, indivíduo a indivíduo, é uma tarefa mais ambiciosa do que mudar a forma com que o mundo produz e distribui eletricidade.
Se a transição energética não puder ser atingida com a mentalidade atual, é difícil de vislumbrar que algum dia possa ser atingida. Para alguns dos que se vêem a si próprios como «verdes», a frase anterior pode parecer desesperante. Mas para aqueles que querem ver os seres humanos a prosperar e simultaneamente a zelar pelo seu planeta, a ideia de um ambientalismo que constrói deve ser um chamamento para agir.
Electrical grids: The ultimate supply chains
One of the foundations of modernity is about to be transformed, reports Hal Hodson
Na sala das turbinas de Drax, uma central termoelétrica no condado de Yorkshire, Inglaterra, encontram-se 6 monstros de momento angular. São enormes - cada um tem 2800 toneladas - e complexos, compostos de 28 sub-partes de turbinas. E giram nos seus eixos 3000 vezes por minuto. Quem tocar nos seus corpos metálicos azuis sentirá o próprio corpo a tremer em sintonia. O chão da sala emite um Lá três oitavas abaixo de um Dó que adormenta as solas dos pés dos visitantes.
As turbinas são alimentadas por vapor de alta pressão produzido em grandes caldeiras penduradas no teto. As caldeiras possuem um isolamento meticuloso, mas ainda assim é possível sentir o calor da sua temperatura de operação de 1100ºC a 20 passos de distância. Durante a maior parte do período de operação desta central, esse calor foi alimentado por um fluxo constante de carvão - dezenas de milhares de toneladas de carvão pulverizado e atirado para a fornalha todos os dias.
Hoje, a maioria das caldeiras da Drax já usa biomassa - sinais dos tempos. A mudança faz parte do movimento global em direção às energias renováveis. A retirada de combustíveis fósseis do processo de geração de eletricidade é vista universalmente como um passo necessário, mas não suficiente, em direção à estabilização dos níveis de gases de efeito estufa da atmosfera terrestre. Os benefícios são claros: uma grande parte do mundo já funciona a eletricidade; há muitas fontes de energia disponíveis que não combustíveis fósseis; alguma dela muito barata; e o aumento da percentagem de eletricidade do total da energia consumida, através da incentivização da utilização de veículos elétricos, bombas de calor e outros que tais, parece comparativamente fácil.
O abandono de minas e de poços de petróleo em favor de energia obtida a partir do sol e do ar não é apenas uma boa política ambiental. Também traz consigo um sentimento agradável, como a eletrificação sempre tem, de progresso através da desmaterialização. O sentimento entusiasmante, e visceral, de controlo de imensidades, através da visão, audição e vibrações de uma sala de turbinas tornar-se-á gradualmente mais arcaico. Mas se a produção de eletricidade através de painéis de vidro estáticos e de pás feitas girar pelo vento parece fazer-se sem esforço e nascida de visões futuristas, o transporte dos gigawatts de eletricidade até ao consumidor final continuará a ser um processo muito físico.
Dentro da Drax, a energia flui do combustível para a chama, daí para o vapor, e finalmente para o movimento giratório; mas para que atinja o seu fim, é necessária uma última transformação. Os eixos de transmissão das turbinas fazem girar ímanes poderosos, que estão envolvidos nos fios de cobre de um gerador elétrico. À medida que os pólos dos ímanes girantes vão apontando, primeiro para um lado e depois para outro, o seu campo magnético empurra e puxa os eletrões nos cabos do gerador, fazendo-os vibrar com energia. Este acoplamento eletromagnético retira energia cinética da turbina na mesma exata quantidade que o vapor pressurizado repõe, fazendo assim que a energia fique disponível para o que quer que esteja ligado ao gerador num circuito elétrico.
Para a Drax, esse circuito é a rede nacional britânica. A corrente alternada (AC) de 50 ciclos por segundo que está disponível em praticamente todas as tomadas de eletricidade do país é a expressão nacional do chão vibratório da Drax e de outras centrais. As suas pulsações unem os geradores giratórios que a alimentam e todos os dispositivos a ela ligados como uma única, mas vasta, máquina.
Nos primórdios das redes elétricas, os clientes eram alimentados com energia por um gerador dedicado à sua fábrica ou instalado numa única central próxima. Mas as vantagens de unir recursos depressa tornaram-se aparentes. As frequências dos geradores foram sincronizadas para os 50Hz (60Hz nos Estados Unidos e nalguns outros sítios) para que as linhas de alta tensão pudessem transportar correntes de geradores diferentes. No entanto, como as altas tensões não são boas para os clientes, foram criados os transformadores - uma tecnologia que só funciona em sistemas AC - para elevar ou diminuir essas tensões. E assim começou a aparecer a arquitectura, que agora nos é tão familiar, de torres de linhas de transporte e de subestações.
Essa infraestrutura física fez com que o fornecimento de eletricidade parecesse sólido e estático, uma parte do futuro industrial. Mas as aparências enganam. A rede é estranhamente imaterial e altamente dinâmica. As suas condições estão infinitamente sujeitas a alterações devido a uma verdade fundamental dos sistemas elétricos: a produção tem que igualar continuamente a procura, em tempo real.
Em qualquer altura, a energia que está a ser retirada da rede - a carga - tem que ser igualada pela que está a ser injetada. A quantidade de energia usada pelas máquinas de lavar, luzes, altifalantes inteligentes, aparelhos de ar condicionado, monitores cardíacos, fornos com ventoinha e todos os outros componentes da vida moderna tem que ser igual à energia que está a ser produzida. Isto implica que a rede esteja num estado de fluxo constante. É por isso que precisa de supervisão constante, não vá algum tipo de desequilíbrio fazê-la colapsar.
This machine kills carbon
Toda esta complexidade faz com que o processo de expansão das redes seja uma tarefa desafiante. Mas os seus benefícios têm sido vistos como positivos. Os hábitos de utilização de um milhão de utilizadores são estatisticamente mais fiáveis do que os hábitos de utilização dos indivíduos de uma única habitação. E um consumo mais previsível pode ser satisfeito por geradores maiores e mais eficientes. Redes maiores permitem cargas maiores. Foi o facto de exisitrem redes elétricas que permitiu a fundição do alumínio, e a consequente construção de aviões, a uma escala que tornou a América no «arsenal da democracia» da Segunda Guerra Mundial. As redes também permitem economias de escala e de geografia na produção. A partir dos anos 60 começou a fazer sentido construir centrais gigantes como a Drax perto do campo de carvão de Yorkshire e distribuir a sua energia por todo o país.
Agora as coisas têm que mudar. Atualmente, 62% da energia distribuída na forma de eletricidade é proveniente de combustíveis fósseis; essa percentagem terá que baixar até mais ou menos zero. Uma grande parte será substituída por energia barata, eólica ou solar, e isso terá consequências sérias para os operadores das redes. Vai implicar muitas novas ligações, o que é complicado. E o problema é exacerbado pelo fato de que as instalações de renováveis normalmente produzem menos do que as turbinas a vapor. O que irá implicar mais ligações por unidade de capacidade.
Além de passarem a ter muitas novas ligações, as redes também terão que sofrer alterações quanto à sua forma. Os sítios mais favoráveis para a produção em abundância de energia renovável muitas vezes não são nos sítios onde a produção atual está concentrada. Por isso, serão necessárias novas linhas de transporte. E como as redes são coisas complicadas, algumas dessas expansões irão requerer alterações compensatórias noutros sítios à medida que outras partes da rede fiquem mais congestionadas.
Outro problema é a intermitência das renováveis. Uma forma óbvia de minorar este problema é expandir as redes para que possam aceder a recursos renováveis ao longo de grandes áreas. Mas mesmo que isto seja conseguido, as redes em que as renováveis desempenhem um papel importante irão exigir ligações a muitas unidades de armazenamento de energia. Algumas poderão estar localizadas perto de renováveis; mas outras não, o que irá complicar mais as coisas. Para facilitar o desafio do armazenamento, as redes necessitarão de acesso a sistemas de gestão de consumo através dos quais possam reduzir o consumo em diferentes escalas temporais.
Por último, atualmente, as várias formas de controlar e equilibrar as redes elétricas são baseadas na forma física como as turbinas a vapor produzem eletricidade. Isso terá que ser repensado. A longo prazo, esta é uma oportunidade de tornar o sistema mais barato e mais fiável. A curto prazo, é uma exigência para ainda mais investimento.
E, no meio de todas estas mudanças, as redes também terão que crescer em capacidade a um ritmo que os países desenvolvidos já não vêem há várias décadas. À medida que muitas das coisas que os combustíveis fósseis alimentam - como veículos ou sistemas de aquecimento - se tornarem eletrificadas, o consumo irá subir em flecha (ver gráfico). Atualmente, a eletricidade constitui apenas 20% do consumo energético global, mas no futuro «será a espinha dorsal de todo o sistema energético», afirma Gerhard Salge, diretor tecnológico da Hitachi Energy, um dos principais fornecedores de equipamentos de rede. A sua empresa estima que, em 2050, o mundo necessitará de quatro vezes mais capacidade de produção de eletricidade da que tem hoje, e o triplo da capacidade de transporte.
As tecnologias para satisfazer estes desafios já estão, na sua maioria, disponíveis, como este relatório irá mostrar. Uma revolução na aplicação aos sistemas energéticos de dispositivos eletrónicos de estado sólido, aliada a uma tecnologia melhorada de construção de circuitos DC de alta tensão (HVDC), irá a facilitar a ligação de renováveis em sítios remotos às redes elétricas, ajudando a diminuir congestionamentos e fazendo com que a interligação entre redes diferentes seja mais fácil. Estas tecnologias também deverão fornecer formas de manter as redes estáveis à medida que as enormes turbinas, que até agora têm servido de elementos estabilizadores, sejam retiradas de operação.
Mas a sua concretização irá exigir uma quantidade de investimento gigantesca. Segundo um estudo recente da Energy Transitions Commission, um conjunto de empresas e instituições financeiras, para o mundo atingir o seu objetivo de emissões net-zero, terão que ser investidos na rede 1,1 biliões de dólares todos os anos até 2050.
Irá também exigir um nível de comprometimento sem precedentes, excluindo alturas de guerra. Steve Brick, da Clean Air Task Force, uma ONG americana, já trabalhou como regulador de redes. Quando olha para um mapa com a infraestrutura de transporte que supostamente será necessária para um sistema descarbonizado na América, afirma: «vendo as coisas pelo lado prático… acho que não será possível.» As oposições locais a novas infraestruturas poderão ser o maior obstáculo. Mas não serão o único. Se ele tiver razão e a rede não conseguir se expandir ao ritmo necessário para descarbonizar a economia, haverá: ou uma movimento de deslocação maciço para sistemas descentralizados, ou um fracasso na redução das emissões com a rapidez necessária suficiente, ou ambos.
Algum tipo de descentralização em alguns mercados será inevitável, e muitas vezes será bem vindo. Atualmente, cerca de mil milhões de pessoas, a grande maioria no continente africano, não têm acesso a eletricidade. Renováveis locais poderão trazer-lhes as vantagens da eletricidade mais rapidamente do que será possível com ligações à rede. Mas há boas razões para acreditar que as redes modernas, com possibilidade de transporte de quantidades abundantes de energia ao longo de grandes distâncias poderão levar a energia a quem precise.
Isto, se for possível sequer levar a energia à rede. A ligação de novos recursos à rede é um problema técnico muito específico; além disso está sujeita a atrasos devido a processos de regulamentação, especificação, políticos e de protesto. Este é o problema que abordamos primeiro.
Connection queues: Hurry up and wait
In developed countries it has never been harder to add capacity to the grid
No estado do Nevada, E.U.A., a central Chill Sun Solar, com uma capacidade instalada de 2,25GW, deveria produzir eletricidade suficiente para garantir 1,7% do consumo anual do estado da Califórnia. O parque eólico Berwick Bank, ao largo da costa leste da Escócia, com potência instalada de 4,1GW, irá fornecer mais energia durante um ano do que as duas maiores centrais britânicas a operar com os grupos geradores no máximo. Mas nada disto irá se concretizar enquanto estes dois gigantes de energias renováveis não forem ligados às suas respectivas redes.
As redes dos países desenvolvidos não estão habituadas a grandes alterações em pouco tempo. Por alturas do início do século, não mais do que uma ou duas centrais poderiam ser ligadas à rede anualmente, devido a novos pontos de consumo causados: ou por alterações demográficas, ou por substituição de centrais em fim de vida, ou ainda, devido a alterações de tipo de combustível (carvão para gás), para se tornarem economicamente mais competitivas.
Assim, não admira que o modelo de negócios de fornecimento dos componentes altamente especializados que esta indústria requer tenha adoptado um ritmo semelhante. Tomemos como exemplo os transformadores necessários para elevar ou baixar a tensão - máquinas maciças feitas com técnicas específicas. Grandes emaranhados de fios de cobre brilhantes são agregados em cabos forrados a papel e apertados à volta de molduras de madeira do tamanho de autocarros por mãos pacientes. Estes enrolamentos perfeitos, com uma tolerância de milímetros e feitos à medida dos pedidos dos clientes, são depois montados em enormes estruturas de madeira e cola - qualquer parte de metal iria alterar os campos magnéticos à volta do cobre. O resultado final é depois submergido em tanques de óleo mineral.
Testemunhar a construção de um destes titãs na fábrica da Siemens Energy, em Nuremberga, Alemanha, provoca uma mistura de emoções devido às características do processo: desde a sua escala, à estranheza e habilidades artesanais (até agora, as tentativas da Siemens de pôr robots a fazer os enrolamentos têm falhado). Os produtos finais têm um peso típico de 300 toneladas, custam 30 milhões de euros e ficam prontos cerca de 3 anos depois de terem sido encomendados.
A expansão da capacidade global de produção destes elementos exóticos é vital para permitir que as redes aumentem rapidamente. Mas isso não será fácil. Os fornecedores são poucos e muito prudentes. A Siemens, tal como os seus competidores, estão a tentar tornar as suas fábricas já existentes mais produtivas, mas todos têm relutância em construir muito mais capacidade para o que vêem como um pico temporário de aumento da procura.
A expectativa de que uma grande quantidade de novos equipamentos nunca seja necessária muito rapidamente é uma das heranças das redes estacionárias. Outra, relacionada com esta, é o pouco apetite para novos investimentos.
Durante a maior parte do século passado os governos que detinham muitas das redes nacionais e os corpos reguladores das redes no sector privado concentravam-se em dois objetivos principais. O primeiro era garantir que as redes eram estáveis e seguras: que as luzes continuassem ligadas e que a indústria continuasse a operar. O segundo era que as redes acrescentassem o mínimo possível ao preço total da eletricidade que forneciam.
De uma forma geral, esses objetivos têm sido alcançados. Exceto em condições adversas, os consumidores de países ricos estão hoje convictos que a ligação de um interruptor faz acender as luzes nas suas casas e que a comida nos seus frigoríficos não vai descongelar. Esta convicção foi conseguida de forma barata. Ben Wilson, da National Grid, que detém e gere a infraestrutura de transporte britânica, afirma que, para o ano de 2019, o custo da rede foi de apenas £20 de um total de £1300 da conta de eletricidade do consumidor médio, isto é, apenas 1,5%.
Mas uma regulação conservadora não oferece incentivos, ou âmbito, para investimentos estratégicos. As redes podiam apenas investir no que fosse necessário para fornecer ligações para projectos que seriam garantidos que fossem construídos ou que aliviassem congestões crónicas. Os pedidos de ligações eram normalmente aceites na base do primeiro a pedir era o primeiro a ser servido, para que as coisas fossem justas, em vez de contemplar outros mecanismos como leilões ou planos estratégicos.
Mas para um mundo que espera substituir a maioria das suas centrais atualmente em operação isso não chega; além disso, as alternativas a estas centrais provavelmente serão noutras áreas geográficas. O facto de não ser possível fornecer ligações de rede suficientes implica que por todo o mundo novos projectos de produção enfrentem filas cada vez maiores até conseguirem ser ligados à rede. Essas filas não diminuem apenas o ritmo a que novas unidades ficam disponíveis. Também causam incerteza, o que por sua vez aumenta o custo dos investimentos. Zoisa North-Bond, a presidente da Octopus Renewables, uma empresa de energia britânica, afirma que o acesso à rede é «o factor mais limitador» que impede o aumento da quota de mercado das renováveis.
Em 2022 cerca de 54% da eletricidade da Grã-Bretanha foi produzida sem emissões de carbono; a sua rede é uma das mais profundamente descarbonizadas do mundo. Mas isso não significa que tenha resolvido o problema das filas. Em média, os projectos ligados à rede em 2022, só o foram cerca de 4 anos depois de o terem solicitado. A empresa que está a desenvolver a Berwick Bank, a SSE, deveria ter toda a capacidade do parque eólico instalado até 2030 - mas pelo menos uma parte do parque só será ligado à rede no fim do ano seguinte, segundo dados publicados. Um produtor que solicite uma ligação à rede agora, só a verá concretizada algures entre 2030 e 2038.
Há um limite real para a rapidez com que as ligações à rede podem ser efetuadas. A expansão da rede altera as suas propriedades, o que põe em risco a sua estabilidade. Mas os atrasos atuais são mais longos do que o necessário. O Sr. Wilson, da National Grid, afirma que a fila cresceu tanto porque, até muito recentemente, o regulador da rede britânico, o Ofgem, não permitia investimentos em melhoramentos antes que o pedido de ligação tivesse sido assinado. Poderá parecer óbvio que um país com uma forte aposta nas eólicas offshore como uma nova fonte de energia necessitaria de boas ligações de rede ao Mar do Norte e ao Atlântico. Mas os investimentos só poderiam ser feitos depois da National Grid conhecer todas as especificidades e detalhes dos projetos de produção. Além de atrasar o investimento, este tipo de limitações também aumentou o tempo de emissão de licenciamentos. Só depois do produtor ter o planeamento feito e a licença emitida é que pode ser dado início ao processo equivalente para a ligação de rede. Para pôr o problema em termos de engenharia, o que poderia ser feito em paralelo está a ser feito em série.
Mas uma das maiores causas do tamanho da fila é a especulação. Em 2008, de forma a incentivar a ligação de renováveis de pequena dimensão, a National Grid tornou o processo de requisição de ligações muito mais simples. Isso fez com que alguns especuladores requeressem ligações para «projetos em papel», só para ocupar a fila. Tais projectos podem perfazer um total de 80% da fila; muitos nem têm especificações preparadas nem engenheiros ou outro tipo de pessoal para os concretizar. A atitude mais óbvia seria retirá-los simplesmente da fila; mas o regime regulatório não fornece à National Grid as ferramentas necessárias para poder discriminar entre os construtores e os especuladores.
E o mesmo se passa em muitos outros países. Thomas Egebo, o presidente da Energinet, a empresa estatal que detém e opera a rede dinamarquesa, afirma que, no seu país, o estado de coisas é «exatamente igual ao do Reino Unido. Primeiro tem que haver um projeto, as coisas têm que ser assinadas e só depois é que podemos requerer a construção [e mais capacidade na rede].»
Na América, que tem muitas redes e ainda mais advogados, a situação também é complicada. Segundo um estudo publicado no ano passado pelo Lawrence Berkeley National Laboratory, na Califórnia, em média, cada nova ligação em 2021 tinha demorado 3 anos a ser feita; além disso, como noutros sítios, os atrasos estavam a piorar. Segundo algumas estimativas, existem pelo menos 1400GW de nova produção renovável na fila para ser ligada à rede.
Here comes the sun, traffic permitting
A Chill Sun Solar, que partilha a fila para se ligar à rede da Califórnia com cerca de mais 220GW de outras centrais fotovoltaicas e infraestruturas de armazenamento, poderá estar com sorte. Uma nova linha de transporte, a Greenlink Nevada, que tem o objetivo de servir a produção fotovoltaica naquele estado, está atualmente a ser planeada pelo Bureau of Land Management e deve entrar em serviço em 2026. Mas, à semelhança do resto da infraestrutura planeada de energia americana, ficará à mercê do processo de permissões, que é vulnerável a decisões e atrasos dos tribunais.
Mas, como é exemplificado pelo plano Greenlink, já começam a haver progressos, e os reguladores estão a começar a perceber que é preciso fazer mais. Em dezembro de 2022, a Ofgem publicou novas regras, esboçadas durante oito meses frenéticos de discussões, que permitirão à National Grid fazer avanços e expansões, tratando de pedidos de ligações de forma pró-ativa. Está também a rever os seus procedimentos para que os processos que entram na fila tenham que atingir certos objetivos intermédios sob pena de serem retirados e perderam o lugar, apesar de estar renitente em tornar essas regras com efeitos retroativos (o que seria necessário para encurtar a fila rapidamente).
Na América, a Federal Energy Regulatory Commision expressou preocupações que os operadores de rede «não estejam a planear infraestruturas de transporte com a antecipação necessária para fazer face a novas necessidades devido a alterações no mix de recursos e de procura», e, no ano passado, esteve a receber comentários a propostas com o fim de incentivar os operadores das redes a fazer investimentos de acordo com planos de longo prazo como forma de acabar com o «desenvolvimento ineficiente e faseado» atual. As suas novas propostas são esperadas no próximo verão.
Também já existem planos para reduzir os atrasos que as licenças de planeamentos e de construção possam causar. Em novembro a Comissão Europeia, o braço executivo da União Europeia, ratificou um novo conjunto de regulamentações temporárias que dão aos projectos de energia renovável uma «presunção de interesse público primordial». A comissão também deliberou que «as verificações de impacto ambiental relacionadas com as melhorias da rede devem ser limitadas» de forma a «facilitar a integração de energias renováveis».
Red queens racing
Estas medidas são vitais no que concerne à construção de novas ligações de longa distância, o que poderá ser necessário para aliviar congestões à medida que a rede cresça, ou para ligar produtores a cargas, quando encontram-se separados por grandes distâncias. A construção da Ultranet, uma série de cabos de alta tensão que irá ligar parques eólicos no Mar do Norte a consumidores industriais no sul da Alemanha, requer a obtenção de cerca de 13 500 licenças de construção, afirma Tim Holt, membro da administração da Siemens Energy. «A tecnologia já está pronta, mas as licenças não». Em fevereiro passado, os transformadores gigantes destinados à Ultranet já estavam prontos para expedir, na fábrica da empresa, em Nuremberg.
Nos países em vias de desenvolvimento, onde as redes já se revelam pequenas demais para o consumo atual, sem sequer falar no consumo futuro, alguns destes problemas parecem menos sérios. A expansão de uma rede em crescimento será provavelmente mais fácil do que a expansão de uma rede já madura.
A Índia, por exemplo, construiu a sua rede a um ritmo furioso na última década. O seu Ministro da Energia revelou que, desde 2014, quando Narendra Modi foi eleito primeiro-ministro, foram construídos 161 000 km de linhas de transporte. A percentagem da população com acesso a ligação à rede passou de 76% em 2010 para 99% em 2020, segundo dados do World Bank.
Mas a existência de ligações não implica, só por si, um fornecimento fiável. A manutenção do equilíbrio entre a produção e o consumo implica muitas vezes deslastres, originando blackouts em várias cidades indianas. Mas, de acordo com o Ministro da Energia, a quantidade de querosene usada para alimentar geradores em zonas rurais da Índia baixou de 9 mil milhões em 2015 para 2 mil milhões em 2021. Esses números sugerem que as pessoas estão a poder, cada vez mais, contar com a fiabilidade da rede para obter a energia de que precisam.
À medida que as exigências da descarbonização da rede têm se mostrado mais reais, a Índia tem, simplesmente, continuado a construir. Em dezembro de 2022 o Ministro anunciou que, até 2030, iria gastar 2440 mil milhões de rupias (30 mil milhões de dólares) para construir mais cerca de 50 000 km de linhas de transporte de eletricidade, com vista a ligações a renováveis de vários tipos.
A enorme expansão da rede indiana pode parecer ir contra uma narrativa geralmente aceite sobre a eletrificação em países em vias de desenvolvimento. Tem sido sugerido muitas vezes que a construção de uma infraestrutura de rede grande e centralizada neste tipo de mercados seria muito lenta, cara e despesista. Uma alternativa seria um crescimento mais rápido através de produção distribuída, especificamente com painéis solares, que pudessem ser interligados a microrredes locais. Cada microrrede seria capaz de: não só operar como uma ilha independente, como também de se interligar com os seus vizinhos para trocas energéticas. Não seria necessária uma grande rede a servir de espinha dorsal do sistema, uma vez que os painéis solares seriam tão abundantes e amplamente distribuídos que haveria sempre eletricidade a ser produzida por perto.
Mas este tipo de objecções são falsas. É verdade que os painéis solares distribuídos são capazes de produzir grandes quantidades de energia. Mas, como refere Brent Warner, um guru de redes da International Energy Agency, recorrer a estes recursos como fonte principal de energia acaba por ser mais caro. As economias de escala tornam as fotovoltaicas de pequena dimensão «várias vezes mais caras» do que a mesma capacidade de produção quando instalada num parque solar ligado à rede. Os painéis solares distribuídos podem servir para reduzir as sobrecargas de uma rede já existente ao fornecer alguma energia localmente, mas, por enquanto, a alteração do paradigma para uma produção descentralizada não é economicamente viável. Serão necessários desenvolvimentos de ambos os tipos.
Já a China revela apetência para as grandes redes elétricas. A sua State Grid, que opera a rede síncrona que abrange a maior parte do país, é o maior empregador do mundo e gere a sua maior máquina. Tal como a Índia, a China tem beneficiado do ímpeto da recente expansão da sua rede. Este país só atingiu os 100% de eletrificação em 2012, numa altura em que as enormes exigências da descarbonização da rede já se estavam a tornar aparentes e que o investimento nessa infraestrutura ajudava a empurrar a economia.
Por tal, simplesmente continuou a investir. Apesar disso, também lá se verificam filas cada vez maiores para ligações à rede, segundo Chongqing Kang, que estuda sistemas elétricos na Universidade de Tsinghua, em Pequim. Ele acha que parte do problema é a falta de um sistema de preços em tempo real. Os potenciais reformadores da rede pedem ao governo para atualizar as suas políticas.
Mas, por todo o mundo, mesmo com todas as reformas de planeamento e todo o tipo de truques de gestão de filas, os tempos de espera não irão simplesmente desaparecer. A construção de infraestrutura de rede não pode ser feita com base num puro laissez-faire. Cada rede é uma máquina única e coesa e as novas ligações devem ser feitas cuidadosamente, de forma a não perturbar o seu equilíbrio delicado. E o mesmo é verdade das necessidades de nova capacidade de transporte. Mas nessa área as coisas estão a ser facilitadas devido a uma tecnologia do século XIX que apenas está a amadurecer agora.
HVDC: Direct delivery
Bigger grids with more renewables need a new sort of plumbing, too
Ao ouvir a palavra «transistor», a primeira coisa que nos vem à cabeça são os pequenos comutadores (on/off) que estão espalhados aos milhares pelos minúsculos chips de silício. Se nos vier à memória um nome de uma pessoa, provavelmente será o de William Shockley, o investigador da Bell Labs que inventou este tipo de dispositivo semicondutor em 1947, ou o de Gordon Moore, que foi o primeiro a notar a tendência que os chips manifestam em se tornar cada vez mais pequenos, mais baratos e melhores, tudo ao mesmo tempo (senhor este que faleceu em março passado).
Mas no sector da energia elétrica, a palavra está associada a interruptores, não minúsculos mas sim poderosos, e o nome mais associado a eles será o de Bantval Jayant Baliga. Nascido em Chennai, na Índia, em 1948, o Sr. Baliga aplicou os princípios da física de semicondutores ao controlo de correntes, e não ao processamento. Em 1980, ao trabalhar para a General Electric, um conglomerado de empresas americanas, ele patenteou um novo tipo de semicondutor que está silenciosamente a mudar o mundo: o IGBT (insulated gate bipolar transistor - transistor bipolar de porta isolada).
Como todos os transistores, os IGBTs são interruptores, que ou estão ligados ou estão desligados, controlados eletronicamente. Tornam possível que seja aplicado um controlo eletrónico fino ao processo de ligação/desligação de altas tensões e correntes fortes. Isto traz vários tipos de melhorias ao mundo. O Sr. Baliga está particularmente orgulhoso do que foi conseguido atingir ao usá-los em motores de combustão interna. Com uma estimativa, muito razoável, de que o seu uso em sistemas de ignição tornou os carros do planeta 10% mais eficientes, ele argumenta que esse facto foi responsável pela diminuição do consumo de gasolina por uns estonteantes 42 mil milhões de barris entre 1990 e 2020. Os seus cálculos ignoram o facto de que, com carros mais eficientes, as pessoas provavelmente conduziram menos. Mas é difícil levar-lhe a mal este pormenor, principalmente porque a sua invenção ainda não acabou de ajudar as condições climatéricas do nosso planeta.
As correntes alternadas usadas nas redes têm muitas vantagens. Mas infelizmente não são ideais para o transporte de energia a longas distâncias. As linhas de transporte AC de longas distâncias exigem estações amplificadoras ao longo do seu curso para compensar as perdas impostas pelos campos magnéticos que são gerados pelo processo de transporte. Já as linhas de corrente DC de longa distância não apresentam tais perdas. Foi esta característica que fez com que, no fim do século XIX-início do século XX, por toda a Europa, houve quem tivesse feito muitas experiências com elas. Mas era uma tecnologia incrivelmente laboriosa e pouco fiável, e as outras vantagens das redes AC fizeram com que esta última acabasse por dominar o transporte e a distribuição. Mas continuou a haver ligações DC em certos nichos.
O processo de conversão de AC para DC era uma das muitas tarefas realizadas pelos tubos a vácuo no início do século XX, tubos esses que foram substituídos pelos semicondutores na segunda metade do mesmo século. Estes últimos melhoraram o processo, mas ainda assim revelavam problemas - um dos quais era que era necessário a potência total de uma rede AC para fazer funcionar as linhas DC de alta tensão (HVDC). Quando a China construiu linhas HVDC para transportar energia eólica e fotovoltaica das regiões norte e oeste do país até à costa este, nos anos 2010, teve que construir centrais a carvão ao longo do percurso para alimentá-las.
The warp cores
Mas a tecnologia que usa os IGBTs já não tem esse problema. E também oferece comutação on/off mais flexível, fazendo com que o processo de conversão seja muito mais fácil e que ocupe menos espaço físico. E isso tem sido uma vantagem definitiva. O sr. Holt, membro do conselho de administração da Siemens Energy, afirma que 99% dos sistemas HVDC atualmente vendidos funcionam à base de IGBTs. E as suas vantagens até estão a expandir o mercado. As ligações HVDC não são apenas uma forma de ligar sítios remotos à rede já existente, como na China e noutros países em vias de desenvolvimento que possuem barragens grandes em lugares distantes. Também pode servir de ponte de uma parte da rede para outra, evitando assim congestões. E possibilita fazer a ligação entre redes que nunca poderiam estar ligadas num único sistema AC.
Tendo em conta que são semicondutores, a visualização dos IGBTs em operação é algo de impressionante. Na sala principal da estação conversora HVDC de Blackhillock, em Aberdeenshire, Escócia, estão suspensos do teto, acoplados a outros componentes em grandes caixas de metal com canalizações de arrefecimento a serpentear pelo meio. Quando a estação está em operação, não são permitidas pessoas na sala, não vá suceder o caso de as enormes tensões que fluem nessas válvulas, como ainda são chamadas, acharem que os humanos são o caminho com menos resistência para a terra. Este vosso correspondente só conseguiu apreciá-las numa altura em que foram desligadas temporariamente para manutenção.
Se as válvulas assemelham-se a um cruzamento entre um armário de servidores e um motor exageradamente grande, as aparências não são assim tão enganadoras; é aqui que a corrente se encontra com o processamento. As válvulas, que são fabricadas pela Hitachi Energy, que por sua vez recorre a um especialista em IGBTs, usam componentes chamados condensadores para armazenar pequenas quantidades de carga elétrica por pequenos períodos de tempo. Os IGBTs controlam o seu carregamento e descarregamento de tal forma que transformam a entrada AC numa saída DC contínua. Também podem funcionar ao contrário, carregando e descarregando os condensadores de forma a transformar a entrada DC em AC.
Blakchillock é o terminal sul de uma ligação submarina HVDC que atravessa a baía de Moray Firth até à região de Caithness, no norte da Escócia. O crescimento de parques eólicos em Caithness fez esgotar a capacidade da rede local; para mantê-la estável, alguns dos parques são desligados em dias de vento e os seus donos são ressarcidos pela eletricidade que não foi vendida. Em 2021 estes pagamentos devido a cortes de produção atingiram os 382 milhões de libras. A ligação Caithness-Moray fornece a essa eletricidade uma nova via de escoamento rumo ao sul, reduzindo os cortes de produção e aliviando a rede a norte.
As ligações DC que ligam um dado ponto de uma rede síncrona AC a outro, como exemplificado pela ligação Caithness-Moray, é cada vez mais uma forma eficaz de aliviar congestionamentos de rede sem precisar de construir nova capacidade AC (o reforço da rede AC na região das Highlands escocesas teria sido muito mais dispendioso). Estas ligações não são apenas uma ajuda para os operadores de rede; também ajudam os consumidores. Antes da interligação Alegro ter sido completada em 2020, os congestionamentos de rede implicavam que a eletricidade mais barata que estava a ser produzida na Alemanha não podia chegar à Bélgica sem passar pelos Países Baixos ou pelo norte da França. A ligação direta reduziu os preços em ambos os mercados. Já estão em construção por toda a Europa muitos destes projectos que aliviarão congestionamentos.
Outra das utilidades do HVDC será a ligação de redes independentes que simplesmente não podem ser ligadas a sistemas síncronos maiores. A ligação North Sea Link, um cabo HVDC entre Kvilldal, na costa oeste da Noruega, e Blyth, na costa leste da Inglaterra, permite a transferência de energia entre a Statnett, o operador de rede norueguês e a National Grid inglesa. Com 720km é atualmente o maior cabo elétrico submarino do mundo. Mas não o será por muito mais tempo. A ligação Viking Link, atualmente em construção entre Lincolnshire, mais ao sul da Inglaterra, e a Jutland, na Dinamarca, irá conquistar esse recorde dentro de pouco tempo.
Tal como no passado, esta tecnologia é também usada para ligar renováveis em sítios remotos à rede. Mesmo quando a sofisticação dos IGBTs não é necessária (como por exemplo em sítios onde a corrente irá apenas fluir num sentido), a sua característica de ocupar pouco espaço físico ainda a torna muito útil; nas plataformas offshore por exemplo, o espaço físico é um recurso importante. No entanto, a sua sofisticação desempenha um papel importante. HVDCs «multiterminais», que apenas são possíveis com a flexibilidade e controlo oferecidos pela conversão baseada em IGBTs, irá permitir que parques eólicos se liguem a mais do que uma rede, e que sirvam de ligação a todas as redes que servem.
A estação conversora norte da ligação Caithness-Moray irá eventualmente tornar-se multiterminal. A energia fluirá para (ou de) lá, não só de Blackhillock, ao sul, mas também via um cabo que está atualmente em construção, das Shetland Islands, ao norte, e de novos parques eólicos construídos ao largo da costa. Isto implica que num dado dia, dependendo das necessidades da rede, a energia poderá ser enviada das Shetlands para Aberdeenshire, ou dos parques eólicos offshore para as Shetlands, ou um pouco de ambos. A Dinamarca planeia construir duas «ilhas de vento» gigantes, equipadas com HVDC multiterminal. As turbinas destas ilhas serão ligadas não só à Dinamarca como também aos seus vizinhos, o que permitirá enviar a eletricidade em ambas as direções. A Bélgica também está a construir algo parecido.
Perry Hofbauer, um engenheiro de sistemas HVDC na SSE, diz que esta expansão da rede exigida pelas descarbonização é «a maior alteração ao sistema elétrico na história». Mas uma vez concluído esse desafio de expansão, ainda há o problema complexo de equilibrá-lo.
Storage and demand management: Defying Dunkelflaute
Grids must balance supply and demand. But sometimes supply goes away
Na pequena cidade alemã de Pulheim, a cada momento, três pessoas supervisionam a rede gerida pela Amprion, um operador de sistemas alemão. O seu local de trabalho tem uma atmosfera algo silenciada, uma espécie de mistura entre um teatro e uma igreja. Tanto a iluminação como as paredes são suaves. Há um monitor enorme, com 5 metros de altura por 20 de comprimento, que fica à frente dos postos de trabalho. No monitor é exibido a rede gerida pela Amprion além de algumas partes das redes suas vizinhas. A rede da Amprion está integrada na CESA (Continental Europe Synchronous Area), que abrange 24 países, de Portugal à Polónia. Ao todo, tem ao seu dispor cerca de 900 GW de todo o tipo de sistemas de produção de energia.
Antes, a rotina diária dos operadores era relativamente simples. Há vinte atrás, quando 65% do consumo alemão era satisfeito com combustíveis fósseis e 27% provinha de energia nuclear, o expectável aumento do consumo matinal era satisfeito automaticamente através da entrada de mais grupos geradores na rede, uns a carvão, outros a gás. Depois da ponta da noite, esses mesmos grupos eram gradualmente levados até aos seus níveis mínimos. É mais ou menos como andar numa bicicleta com mudanças fixas a uma velocidade constante: para subir, é preciso pedalar mais; para descer, é preciso travar para evitar perder o controlo.
Atualmente, as centrais nucleares estão a ser desligadas de vez e já há mais energia solar e eólica do que de cenrais a carvão na rede. Isto implica que, para os operadores, os dias já não são todos iguais. Em 2021, às 11 da manhã de um dia ventoso e solarengo de julho, 72% da eletricidade da rede alemã vinha de fontes eólicas e solares. Um mês antes, às 2 da manhã de uma noite amena de junho, menos de 1% da eletricidade total era produzida por essas mesmas fontes. Manter a velocidade constante da bicicleta tinha-se tornado uma grande dor de cabeça. A Amprion tornou-se numa consumidora ávida, e até produtora, de previsões meteorológicas. «Se houver uma frente de vento a se aproximar, teremos muito trabalho a fazer», afirma um dos operadores em Pulheim.
Seasons in the sun, and out of it
Durante períodos de tempo curtos, algum do equilíbrio entre a produção e o consumo pode ser compensado usando baterias, tipicamente as que usam química de iões de lítio para armazenar energia. O custo destas baterias desceu a pique graças ao grande aumento da procura, primeiro por parte dos smartphones, e depois pelos veículos elétricos. Neste momento, são baratas o suficiente para serem usadas na rede em grandes quantidades. Nalguns sítios o custo destas baterias de armazenamento de energia é tão baixo que permite substituir as centrais «de ponta», que antes eram usadas para satisfazer os picos do consumo.
Mas as baterias não são suficientes para fazer face a invernos muito menos solarengos do que verões. Os sistemas que operam em latitudes médias a altas terão que ser projetados para fazer face a diferentes níveis médios de produção em estações do ano diferentes. Além disso, há ocasionalmente o problema do que os meteorologistas chamam «sombra anticiclónica» (anticyclonic gloom [um estado meteorológico de nuvens baixas e pouca visibilidade]), mais conhecido pelos operadores de rede alemães pelo nome de Dunkelfaulte, uma palavra que significa mais ou menos «marasmo escuro», e que se refere a períodos em que não há energia solar nem eólica. Julia Watzlawik, da Amprion, afirma que, em janeiro e fevereiro, aquele país pode estar exposto a períodos em que não há quase produção nenhuma de energia eólica nem fotovoltaica, períodos esses que podem durar até duas semanas. Nestas condições o défice entre a produção renovável e a produção necessária pelo sistema pode atingir os 50GW. Essa diferença, cerca de 60% do consumo na ponta, é satisfeita queimando mais combustíveis fósseis e importando mais eletricidade de todo o tipo de outros países.
Uma das vantagens da CESA é que torna as importações mais fáceis. Pertencer a uma rede de escala continental fornece acesso a eletricidade de centrais nucleares e recursos renováveis de outros países. Um estudo recente de Bowen Li e seus colegas na Universidade de Tecnologia de Delft revelou que «os eventos de Dunkelflaute não ocorrem ao mesmo tempo em todos os países à volta das áreas dos mares do Norte e Báltico… poderá ser possível reduzir significativamente os efeitos do Dunkelflaute através da interligação de redes».
Isso implica que mais ligações HVDC entre diferentes partes da CESA seriam uma ajuda. Mas não forneceria a cura total. «Acho que não é possível… gerir a rede europeia de forma a termos sempre, em todos os instantes, energia suficiente [carbono zero] para satisfazer toda a Europa,» afirma Frank Reyer, o diretor de operações da Amprion. A baía da Biscaia poderá estar com um clima agreste ao mesmo tempo que o Bálitco está calmo, mas não podemos esperar que as turbinas eólicas ao largo da costa atlântica da França produzam o suficiente para satisfazer o défice alemão. «A França também precisa de eletricidade», diz o Sr. Reyer.
Há duas formas de lidar com este problema. Uma é tentar que o sistema elétrico faça, a uma maior escala, o que até agora quase não tem feito: armazenar energia em vastas quantidades. A outra é assumir um maior controlo do consumo.
Não é fácil de encaixar o armazenamento no paradigma gerador/rede/consumidor no qual se baseiam os sistemas elétricos modernos. Nalgumas aplicações, o armazenamento funciona da mesma maneira do que a produção - é uma fonte de energia que está ali disponível para a rede utilizar quando for necessário. Noutras, oferece uma alternativa para modular o consumo, por exemplo com aquecedores que usam energia quando esta é barata, à noite, para fornecer calor mais tarde. De qualquer forma, não é algo que a rede consiga fazer por si própria. Alguma energia é inevitavelmente armazenada em campos elétricos e magnéticos à volta de componentes da rede, fornecendo uma fonte do que os operadores da rede chamam «potência reativa»; essa potência pode ser usada para controlar flutuações de tensão. Mas é um tipo de armazenamento que não é útil para os consumidores.
Cada vez mais, as baterias são uma ajuda importante num contexto de períodos curtos; as redes com acesso a renováveis são cada vez mais dependentes das baterias. Mas seria inviavelmente dispendioso usar baterias para fornecer armazenamento à escala necessária para satisfazer défices de produção durante semanas a fio.
An uphill challenge
Muitas redes têm acesso a centrais de bombagem hídrica, em que um reservatório guarda água que é turbinada quando é necessária mais potência na rede e bombeada de novo para o reservatório quando a rede tem energia abundante de outras fontes. Nas regiões geográficas que possuem vales a grandes altitudes (como a Noruega ou os sopés dos Himalaias) esta tecnologia pode ser muito útil. Mas o armazenamento em sítios afastados das cidades, que normalmente ficam em planícies, não são ideais. E uma grande central de bombagem hídrica tipicamente armazena cerca de 10 gigawatts-hora de energia. Quando há défices de dezenas de gigawatts que se prolongam durante semanas inteiras, é preciso algo mais.
Esse «algo mais», segundo a maioria dos analistas, é o hidrogénio obtido através da eletrólise - a separação do hidrogénio e do oxigénio nas moléculas de água. Este hidrogénio pode ser armazenado até que seja necessário convertê-lo em eletricidade, o que é feito queimando-o para fazer girar uma turbina com o seu vapor - num processo que, ao contrário da queima do gás natural, não emite dióxido de carbono. Este tipo de armazenamento pode fornecer uma grande quantidade de energia. Os responsáveis pelo projecto Advanced Clean Energy Storage Project no Delta, Utah, estimam que conseguem armazenar 300 GWh de hidrogénio num par de cavernas de sal. É uma quantidade equivalente a metade da capacidade de armazenamento que as fábricas de baterias de iões de lítio de todo o mundo forneceram no ano passado.
O Sr. Reyer acredita que este tipo de «energia-para-gás» será crucial para a Alemanha durante períodos de Dunkelflaute, numa época pós-combustíveis-fósseis. E mais, o hidrogénio obtido desta forma poderá substituir os combustíveis fósseis noutras aplicações como a produção de aço e de fertilizantes. Mas para isso terão que existir muito mais energias renováveis, ou energia nuclear, para obter o próprio hidrogénio; as redes também terão que ser maiores para permitir levar essa energia até onde ela seja necessária.
O armazenamento em baterias costuma ficar localizado perto das renováveis que as carregam, e há quem sugira que a localização da eletrólise deverá seguir o mesmo modelo, e usar o excedente das renováveis ou das centrais nucleares, quando a rede pode dispensar essa energia. Luke Johnson, presidente da H2 Green, uma empresa britânica que pretende construir centros de produção de hidrogénio, acha que não. Ele diz que, para o hidrogénio ser economicamente viável, deverá ser produzido com recurso à rede elétrica.
Um dos motivos invocados é que a produção de hidrogénio deve ser feita de forma ininterrupta, sendo que os custos seriam muito elevados de outra forma. Outro dos motivos é que ele pretende que os seus centros permitam o uso de camiões, de navios e de indústria pesada. E isso será feito muito mais facilmente em centros industriais já existentes do que nos mares, desertos e planícies remotas onde as renováveis se dão melhor. Além disso, transportar o hidrogénio por gasodutos construídos de raiz será muito mais difícil do que fazer chegar a eletricidade a redes expandidas.
Neste momento, o hidrogénio, a ser produzido através da rede elétrica, não seria tão verde como o que fosse produzido diretamente a partir de renováveis, nos pontos de produção destas. Mas quanto mais verde for a rede, mais verde será o hidrogénio. Quando os países chegarem ao ponto de ter uma rede sem emissões, o hidrogénio obtido a partir dessa rede também não terá emissões associadas.
Mas, se uma indústria de hidrogénio produzido a partir da rede se traduzir numa nova grande fonte de consumo, também poderá ser um fator equilibrador. Apesar de os eletrolisadores não gostarem de ser ligados e desligados completamente, nada impede o aumento ou diminuição da sua produção. E isso poderia fazer com que a produção de hidrogénio contribuísse para uma solução de períodos de produção insuficiente: a gestão do consumo.
Uma grande parte da carga industrial não é sensível a horários; quando são-lhes dadas tarifas horárias diferentes, mostram preferência pelas mais baratas. Por exemplo, os congeladores industriais podem ser arrefecidos até muito abaixo da temperatura exigida, quando a eletricidade está barata, e depois deixá-los atingir temperaturas mais altas, mas ainda dentro dos limites de segurança, quando a eletricidade está mais cara. Também é possível aumentar e diminuir as cargas dos consumidores - desde que estes não sofram inconveniências nem que isso se torne um motivo de preocupação.
A Octopus, uma empresa britânica, é uma das empresas que está a tentar tornar a gestão do consumo num assunto sem preocupações para os seus utilizadores. Estes permitem que a empresa controle coisas como a taxa a que os seus carros elétricos se recarregam ou que as suas bombas de calor aquecem as suas casas. Para minimizar as incertezas e preocupações dos seus clientes, estes podem especificar algumas coisas, como qual o mínimo de carga que os seus carros deverão ter às 8 da manhã. A função da Octopus é gerir todas estas obrigações de forma que lhe permita vender ao operador de rede a opção de cortar o consumo quando seja necessário e ao mesmo tempo oferecer descontos aos seus clientes.
Por enquanto, a Octopus não é muito lucrativa. Mas tem esperança que, com mais veículos elétricos em circulação, mais bombas de calor para gerir, e um mercado mais forte de gestão de consumo, as coisas mudem. Também tem esperança que o fornecimento da sua plataforma de gestão de consumo, a Kraken, a outros crie mais mercado para a gestão do consumo, um desenvolvimento que trará mais benefícios às empresas que o forneçam da melhor forma. Esta mudança é uma necessidade clara. Alguns cenários propostos pela International Energy Agency que simulam o mundo a atingir os objetivos climáticos definidos em Paris em 2015 mostram um nível de consumo que atinge os 500GW em 2030. Atualmente estamos nos 50GW.
Não há dúvida que, para o sistema energético como um todo, o maior desafio para a descarbonização centra-se na intermitência das renováveis. Redes grandes, interligações a recursos remotos (principalmente a sítios solarengos no leste quando as pessoas estão acordar no escuro e para sítios solarengos no oeste quando estão a chegar às suas casas à tardinha) e novas formas de armazenamento serão todos necessários, assim como a gestão do consumo.
Mas para a rede em si própria, o problema não é apenas ter novas fontes de eletricidade disponíveis durante mais tempo. A natureza dessas fontes também é importante. As redes construídas para servir geradores a vapor de 50 ou 60Hz não tornaram-se apenas acostumadas às peculiaridades de um sistema apoiado em grandes massas de metal giratório. Aprenderam a usá-las para manter a rede estável. Se tirarmos a maioria das turbinas a vapor da rede, o problema não será apenas repôr a sua capacidade de produção. Também haverá o problema da instabilidade da rede.
Inertia and the future: Back in black
The physics of rotating masses can no longer define the grid. In the long run, that will make it better
Encaixada atrás de um cash-and-carry num subúrbio de Liverpool encontra-se um cilindro de aço a girar 1500 vezes por minuto. Os seus 500 megajoules de energia cinética são o equivalente à energia química armazenada em 100 quilogramas de TNT. Para manter o estabelecimento comercial e os seus outros vizinhos em segurança, o sistema está enclausurado em betão reforçado com aço; de um lado do cilindro um poço de borracha aguarda para contê-lo, caso todos os outros inúmeros dispositivos de segurança falhem.
Mas para quê armazenar o que, em termos da rede, é uma quantidade relativamente pequena de energia (140 quilowatt-horas) nesta forma potencialmente tão perigosa? A razão é que um equilíbrio entre a produção e o consumo não é a única coisa necessária para manter a rede a funcionar. Certificar-se de que a rede mantém-se estável, e assim que fica tudo a funcionar bem, depende de outros factores - coisas que são fornecidas gratuitamente quando se liga uma grande massa metálica a girar à rede, mas não quando se adiciona renováveis. O «compensador síncrono» em Lister Drive Greener Grid Park fornece a pujança de metal giratório que faz falta a uma rede com cada vez mais renováveis. No entanto, no futuro, serão necessárias abordagens mais meticulosas, soluções que dispensem completamente a necessidade de metais a girar e que permitam tanto às redes como às pessoas a elas ligadas liberdades que nunca tenham gozado previamente.
A sincronização entre as turbinas giratórias a carvão, a gás, a água, e as centrais nucleares é uma faca de dois gumes: os campos eletromagnéticos que as acoplam implicam que as condições na rede afetam os sistemas internos dos geradores, e vice versa. Por sua vez, isto implica que as propriedades dos metais giratórios e das suas ligações propagam-se para a rede. Uma dessas propriedades é a inércia; a «vontade» inata das turbinas de continuar sempre a girar impõe limites à facilidade com que a frequência da rede consegue flutuar. Outra propriedade é a potência reactiva, um atrito que é imposto pela natureza da corrente alternada no fluxo de energia através do sistema, e a corrente de curto circuito. A potência reativa pode ser usada para lidar com flutuações de tensão. A corrente de curto circuito indica defeitos e pode ser usada para eliminá-los. Como estes aspectos da rede são tão úteis para a sua operação, são referidos como serviços auxiliares.
Tenets and turnstiles
Os painéis solares, as turbinas eólicas e as baterias são ligados às redes através de dispositivos eletrónicos cuidadosamente controlados, e não através da força bruta do eletromagnetismo. A potência DC que os painéis solares e as baterias fornecem é convertida em AC através de inversores que usam tecnologia parecida à encontrada nas salas de válvulas dos terminais da ligações HVDC. A baixa e variável frequência AC produzida pelas turbinas eólicas é processada de forma similar. Daí que, na gíria, as baterias e parques fotovoltaicos e eólicos sejam referidos como IRBs (inverter-based resources - recursos baseados em inversores).
O problema disto é que, atualmente, as redes em que os IRBs fornecem mais de 60% da energia começam a tornar-se seriamente instáveis sem outras formas de auxílio à estabilidade, de acordo com Ben Koproski do National Renewable Energy Lab americano, no Colorado. A grande maioria dos inversores atuais são «grid-following», que debitam corrente com características que estão de acordo com a que os inversores «vêem» na rede. Isto implica que, ao contrário das turbinas térmicas, eles não têm como empurrar a rede para uma dada direção pretendida. Até podem piorar as condições existentes ao amplificar desequilíbrios.
Uma forma de lidar com isto é através da «reserva girante»: usam-se centrais a gás, nas quais as turbinas ficam a girar mas a produzir muito pouca energia. Mas esta estratégia é muito cara e queima o gás natural de forma ineficiente. Por isso, cada vez mais, os operadores da rede estão dispostos a pagar por alternativas. As turbinas de Drax ganham dinheiro desta forma, assim como as de Cruachan, uma central escocesa de bombagem hídrica comprada pela Drax em 2018. E o mesmo é verdade sobre o compensador síncrono em Lister Drive, uma infraestrutura da empresa norueguesa Statkraft. E também a bateria de 100MW que a empresa britânica Zenobe ligou à rede perto de Lister Drive. (O encerramento da enorme central a carvão, Fiddler’s Ferry, fez com que aumentassem as preocupações sobre a segurança da rede na zona de Liverpool, por falta de serviços auxiliares, o que por sua vez tem gerado uma onda de novas abordagens ao problema nessa região.)
Esta instalação é especial, não por causa das suas baterias, mas por causa dos seus inversores; em vez de serem grid-following, são grid-forming. Isto quer dizer que podem ser programados para fornecer à rede energia da forma e frequência que os operadores exijam, compensado assim a falta de outros sistemas auxiliares. Os inversores grid-forming permitem uma abstração do mundo do eletromagnetismo e uma aproximação ao mundo da eletrónica e do código programacional.
O hardware onde os sistemas grid-forming são executados é, na sua maioria, pouco diferente do dos sistemas grid-following - mas os algoritmos que dão forma à corrente que flui por eles são muito mais sofisticados. E esta abordagem não se aplica apenas às baterias. No futuro, todos os inversores de parques eólicos e fotovoltaicos poderão ser grid-forming; em alguns casos, segundo o Sr. Koproski, a mudança poderá estar à distância de uma atualização de software. Em termos de estabilidade da rede, isso faria com que os IRBs passassem de problema a solução. O Sr. Koproski vê isto como uma inversão na forma como as renováveis são vistas. Com a eletrónica adequada, adicionar renováveis e o armazenamento associado à rede poderá tornar a rede mais estável, e não menos.
Tudo indica que as redes com este tipo de serviços auxiliares acabaram por ser mais fáceis e baratas de operar do que as mais antigas. Mais fáceis, porque o operador de uma rede com apenas inversores grid-forming não necessitará de se esforçar tanto para manter a frequência e a tensão estáveis em todo o sistema. Com cada ligação capaz de fazer pequenos ajustes, os problemas de desvios de frequência serão eliminados. Voltando à analogia da bicicleta com mudanças fixas, os algoritmos dos inversores grid-forming iriam apenas olhar para os pedais do sistema de transporte a girar sob os seus pés e, suavemente, com a precisão típica dos computadores, pedalariam na direção pretendida.
What limits to growth?
Tornar as coisas mais fáceis tem consequências para a rapidez com que as redes podem ser expandidas. Sem falar na burocracia, na especulação, nem nas licenças, a adição de nova produção às redes atuais muitas vezes continua a ser um procedimento difícil. Mas se todos os novos recursos vierem com tecnologia grid-forming, as coisas poderão ser parecidas aos sistemas plug-and-play; as novas adições poderão adaptar-se mais precisamente aos requisitos da rede na sua localização específica, em vez de ser preciso adaptar a rede a elas.
O facto de já oferecerem possibilidades deste género é um dos fatores que justificam a expansão das ligações HVDC. O potencial de grid-forming apresentado pela ligação Caithness-Moray, da SSE, levaram a que a empresa começasse a ponderar equipá-las para conseguir a última etapa da formação de rede: o «black start». Fazer o arranque de uma rede colapsada é um processo complexo. Os geradores acoplados às turbinas de vapor têm que ser arrancados por motores auxiliares; os inversores grid-following não funcionam se não houver uma rede para seguir. Os serviços grid-forming tornam as coisas muito mais fáceis - especialmente se estiverem ligados a turbinas eólicas capazes de produzir grande quantidade de energia, como os da região de Caithness.
Este tipo de atrativos aumenta ainda mais a atratividade da HVDC, e, à medida que a procura por esta tecnologia aumentar, ela tornar-se-á mais barata. O que por sua vez irá gerar mais procura. E também tornará mais concretizáveis futuros projectos ainda mais ambiciosos.
Por outro lado, é preciso conter o entusiasmo. A Sun cable, uma empresa que estava a planear uma ligação através de um cabo de 4200km para alimentar Singapura com renováveis australianas foi recentemente à falência. XLinks, uma startup, está a promover um esquema que trará à Grã-Bretanha uma potência constante de 3,6GW a partir de um sistema que integra renováveis e baterias em Marrocos; o seu custo é estimado em 22 mil milhões de dólares, em que uma grande percentagem do total é um cabo de 3800km. Se XLinks tiver sucesso, outros projetos similares seguramente se seguirão.
Apesar disso, estas giga-ligações acarretam outras preocupações, além das económicas. Mesmo antes do ataque ao gasoduto Nordstream 2, no Báltico, o prospecto de receber uma fracção elevada da energia de um país vindo de um único fornecedor através de apenas um canal de transporte já levantava questões de risco político que estão para além do que a tecnologia pode responder. As ligações diretas implicam dependência e vulnerabilidade.
Em tempos de guerra, as redes são muitas vezes visadas como alvos: a rede ucraniana tem sido bombardeada pelos russos. Também são alvos atraentes de ataques cibernéticos. A necessidade de equilíbrio implica que o ataque a um componente, por mais pequeno que seja, pode ter repercussões devastadoras e se propagar por todo o sistema. Quanto mais a rede estiver dependente de terceiros cuja segurança não possa ser controlada, mais razões de preocupação haverá.
Uma rede formada eletronicamente (através de inversores grid-forming) com mais necessidades de processamento e de comunicação, pode piorar este tipo de vulnerabilidades. E, à medida que a eletricidade se for tornando na fonte primária de energia para cada vez mais aplicações, os ataques à rede poderão se tornar cada vez mais assustadores. Os blackouts que hoje em dia apagam as luzes e desligam os aparelhos de ar condicionado, daqui a algumas décadas poderão também afetar criticamente os sistemas de aquecimento e de transporte. Por outro lado, uma maior utilização de dispositivos eletrónicos deverá reduzir o impacto da repercussão pela rede do ataque a um ponto fraco desta. A expansão das redes também poderá trazer benefícios, se as suas partes mais remotas puderem ser bem defendidas. A sincronização da rede ucraniana com a CESA, pouco depois da invasão russa, contribuiu em muito para a resistência do país.
Estes potenciais benefícios são secundários ao facto de que as redes do planeta terão que sofrer alterações se for para descarbonizar a economia ao ritmo exigido pelas políticas climáticas. Essas alterações serão necessariamente complexas e dispendiosas, qualquer que seja a tecnologia adotada, e esse investimento será medido em nada menos do que dezenas de biliões de dólares. Mas convém notar que, se for bem feito, esta imensa e necessária alteração vai permitir que o mundo fique não apenas como já era quando queimava combustíveis fósseis. Ao fazer com que seja mais fácil transportar energia e ao permitir que uma produção mais eficiente relativa ao custo capture mais quota de mercado, originará a que, aos poucos, essa energia vá se tornando mais barata. Redes robustas, às quais será fácil adicionar produção barata poderão dar origem a uma abundância de energia que os combustíveis atuais nunca conseguirão.
Uma das grandes vantagens é que uma quantidade significativa do antagonismo entre os defensores de redes cada vez mais musculosas e sistemas cada vez mais descentralizados poderá se esbater. Os inversores grid-forming permitem que se una microrredes com macrorredes muito mais facilmente. Também ajudam os consumidores ligados a redes a construir os seus próprios sistemas de produção e armazenamento de forma a que a própria rede também fique beneficiada. Desde que sejam seguidas algumas especificações previamente acordadas, o que acontece para lá do inversor fica para lá do inversor. Mas a energia, essa, é transmitida.
Um tal ciclo virtuoso em que o crescimento da rede torna mais fácil que os recursos elétricos cresçam não será sem precedentes. Também houve uma realimentação positiva similar no antigo sistema elétrico. Motores e geradores melhores fizeram com que a extração, distribuição e consumo de combustível ficassem mais baratos, o que tornou possível alimentar cada vez mais motores e geradores. Mas esse crescimento enfrentou dois conjuntos de limites. Um dos conjuntos foi imposto por constrangimentos económicos e políticos à oferta de combustível, e o outro pelo grau que o ambiente conseguia absorver o desperdício inevitável. O engenho, o investimento e habilidade política puderam ser usados para contornar o primeiro limite; as vistas-curtas, interesses não-declarados e a própria magnitude do âmbito do problema acabaram por fazer com que o segundo conjunto de limites fosse ignorado. No entanto, nenhum dos constrangimentos foi abolido. E nenhum deles é aplicável do mesmo modo a um sistema elétrico alimentado por renováveis e energia nuclear, e suportado por armazenamento adequado, e ligado a uma rede flexível, estável e eletronicamente ativa.
Nada pode melhorar para sempre. O sistema de energia sem combustíveis fósseis que as novas redes irão permitir vai sem dúvida enfrentar os seus próprios constrangimentos. Mas estes não serão sob a forma de limites aos seus combustíveis, nem estarão ligados aos danos feitos ao planeta quando os seus ciclos básicos são destruídos. O investimento inicial de construção desta rede é vasto. O desafio de satisfazer os objetivos de uma oferta de energia sem combustíveis fósseis é estarrecedor. Mas, à medida que o processo começar a decorrer, quando os custos começarem a baixar, quem sabe até onde poderemos ir.
