1
Introdução
A energia
eólica está em forte expansão no Brasil pois é uma fonte renovável e de grande
potencial graças à geografia brasileira. Porém sua operação é de difícil
determinação, pois a energia gerada pode coincidir com congestionamento no
sistema, ou seja, a entrega de energia que um parque eólico pode fornecer ao
sistema elétrico depende da disponibilidade das linhas de transmissão. Seu uso
em conjunto com sistemas de armazenamento será de grande auxílio à otimização
do sistema de potência, melhorando a garantia de qualidade do fornecimento de
energia e o barateamento do produto energia elétrica.
A perspectiva
é que a exploração da fonte eólica aumente nos próximos anos devido aos
incentivos de financiamento, necessidade de atendimento à carga futura,
amadurecimento da tecnologia e sua aceitação pela população devido a sua
característica de ser ambientalmente amigável.
2
Eólicas
e armazenamento no Sistema Interligado Nacional (SIN)
A fonte eólica
possui a característica de ter menor custo, porém tem baixa capacidade de
entrega de potência. Sua energia entregue varia bastante ao longo do dia e é
dependente das condições de vento, portanto sua operação é caracterizada como
intermitente. Um outro problema é que a energia gerada pelos parques eólicos
pode nem sempre ser comportada pela atual estrutura de rede elétrica, sendo
necessário complementar a energia demandada utilizando usinas mais caras,
contrariando a ideia de economia que o despacho por ordem de mérito emprega, ou
direcionar energia de outro subsistema, o que torna-se complicado pois a
variação de energia entregue pelas eólicas pode ser intensa em um curto período
de tempo, requerendo sistemas de controle ágeis e altamente confiáveis [1].
O Sistema
Interligado Nacional (SIN) é extremamente complexo e conecta todas as regiões
do Brasil. A larga aplicação de usinas eólicas no sistema elétrico altera suas
características e geram novas preocupações que precisam ser antecipadas e
solucionadas para a operação sadia e segura do SIN.
Para
aproveitar a energia eólica mais eficientemente é possível utilizar Sistemas de
Armazenamento de Energia (SAE). Sua atuação consiste em armazenar energia
proveniente de usinas eólicas e de outras fontes renováveis, como hidrelétrica
e solar, durante os gargalos na rede de transmissão, diminuindo o despacho
descentralizado de usinas caras como as de termelétricas. A energia armazenada
passa a ser liberada à rede quando as linhas estiverem mais uma vez
disponíveis. Assim é possível garantir o fornecimento de energia limpa e a
baixo custo por mais tempo, evitando os altos custos de fontes poluentes.
Um empecilho
para aplicações de sistemas com bateria é a escassez de projetos e necessidade
amadurecimento da tecnologia, engenharia, manutenção e adequação ao mercado de
energia [1, 2, 3, 4, 5].
2.1
Considerações
para o Brasil
Estima-se que,
no Brasil, o recurso de maior expansão será o de energia eólica. Entre 2023 e
2027 deverá ser acrescido 2.000 MW ao ano de capacidade eólica no SIN, como
pode ser visto na Tabela 1 [1]. Tendo em vista essa expansão
considerável, a ANEEL, em 2017, aprovou 23 propostas de Pesquisa e
Desenvolvimento (P&D) sobre armazenamento de energia para atender a demanda
verificada no PDE 2027 [6].
Tabela 1: Potência instalada a ser acrescida, em
megawatts (MW), da fonte eólica, de usinas termoelétricas (UTE) e de sistemas
de armazenamento de energia (SAE) entre os anos de 2022 e 2027.
|
Fontes
|
2022
|
2027
|
|
UTE + SAE
|
204
|
13.142
|
|
Eólica
|
0
|
10.000
|
Fonte:
Adaptado de MME (2017, p. 64).
Portanto, para
o crescimento saudável e seguro do SIN, os sistemas de armazenamento e as
usinas termoelétricas devem crescer de maneira a auxiliar o aumento da fonte
eólica. A bateria utilizada em SAE é uma tecnologia considerada importante no
auxílio da expansão das energias renováveis por permitirem melhor gerenciamento
das linhas de transmissão e do atendimento da demanda de energia [7].
No contexto
dos agentes impactados pelo aumento significativo de SAE no futuro, se faz
necessário atentar para: os operadores da rede, os proprietários dos SAE e os
consumidores finais. Para atendê-los, os SAE precisam de incentivos
financeiros, tributários, regulatório, de contratação, de capacitação
tecnológica e de mão de obra [1, 8].
Hoje não
existem aspectos regulatórios que tratam sobre tecnologias de armazenamento.
Portanto este artigo faz referência ao manual do Electric Power Research
Institute (EPRI) a fim de compartilhar os estudos realizados nessa área
para nacionalização dos conceitos abordados.
3
Aplicações
e tecnologias dos SAE
As várias
tecnologias do SAE têm a capacidade de tornar o sistema, como um todo, mais
eficiente e aberto às novas plantas eólicas em planejamento e construção.
3.1
Controle
de frequência e tensão
Variação de
frequência e tensão são indesejáveis ao sistema elétrico pois podem danificar
aparelhos eletrônicos e máquinas. Para esta aplicação é recomendado o uso de
baterias com capacidade de vida longa e alta velocidade de reação a fim de
acompanhar as flutuações que o sistema está sujeito e torná-lo mais estável. O
tempo de descarregamento para este tipo de aplicação é de até uma hora [2, 8].
Baterias indicadas
para essas aplicações são as de lítio, chumbo-ácido, níquel-cádmio e
níquel-hidreto metálico [2].
3.2
Reserva
de energia
A energia
elétrica pode ser armazenada em períodos de congestionamento das linhas de
transmissão e fornecida posteriormente [9].
A Figura 1.a
ilustra uma usina eólica (E), um sistema de armazenamento de energia (SAE), uma
fonte hidrelétrica (G) e uma fonte térmica (T). Quando a potência gerada (PG)
é maior do que a potência máxima permitida pela linha de transmissão (Pmáx)
a energia excedente é direcionada ao SAE.
Uma vez que a
linha de transmissão está mais uma vez disponível, o SAE fornece a energia
limpa previamente armazenada ao sistema, conforme Figura 1.b.
(a)
(b)
Figura 1: Sistema de três barramentos: (a) quando a potência gerada (PG)
pelas fontes menos custosas é maior que a potência máxima permitida pela linha
de transmissão (Pmax) a demanda (C) é atendida pela complementação
de usinas térmicas (T) e a energia em excesso é armazenada no SAE. (b) Uma vez
que a linha de transmissão está disponível novamente, o SAE injeta a energia
armazenada na rede, assim reduzindo as perdas da energia eólica que não pôde
ser transmitida devido ao congestionamento na rede elétrica.
Fonte: Adaptado de Vargas, Bustus-Turu e Larraín (2014).
Essa é uma
aplicação importante pois as baterias podem armazenar energia de baixo custo
proveniente de usinas eólicas, solares, biomassa e nucleares a fim de
fornecê-las ao SIN para auxiliar no atendimento à demanda. Mitigando a
volatilidade dos preços ao consumidor final [2, 3, 8].
Quanto maior o
tempo que uma bateria pode fornecer energia à rede elétrica, menores são os
cortes na transmissão de energia, portanto baterias de descarga lenta devem ser
aplicadas, como as de lítio e chumbo-ácido. Porém não é recomendável que altos
investimentos em vários sistemas de baterias com essa característica, uma vez
que os ganhos aos empreendedores diminuem e o custo se eleva [2].
É necessário
avaliar o quanto de armazenamento deverá ser inserido no sistema a fim de obter
melhor desempenho do SIN, a um custo adequado ao consumidor, e tornando o
empreendedorismo atrativo nessa área [10].
Baterias de
lítio, chumbo-ácido, níquel-cádmio e níquel-hidreto metálico são indicadas para
reservas de energia. Observando que as de lítio são mais caras do que as de
chumbo ácido, porém essas possuem menor custo e o menor tempo de vida útil,
sendo recomendadas para pequenos desenvolvimentos iniciais no país [2].
3.3
Aumento
da inércia da rede
A rápida
resposta dos SAE para garantir o atendimento à demanda torna o SIN mais
resistente a variações de geração, assim, tornando a rede mais estável e segura
aos consumidores e indústria [8].
Esse
comportamento terá impacto direto no sistema de reserva girante no sistema
elétrico, possibilitando uma segurança maior em relação a operação, qualidade e,
em último caso, redução do custo operacional do sistema elétrico.
3.4
Serviço
de black start
Black start é um serviço onde, após ocorrido
desligamento total ou parcial de um sistema elétrico, ele é capaz de auxiliar
no religamento desse sistema. Logo, um SEA pode atuar no lugar de um sistema
ancilar de black start para religar o sistema em caso de desligamento [8].
Uma das
principais aplicações que está sendo estudada pelo mundo é a redução dos cortes
de energias renováveis devido à intermitência dessas fontes e o limite de
transmissão da rede. A criação de modelos e aprimoramento da tecnologia pode
tornar o armazenamento em baterias viável, seguro e importante para o
atendimento à demanda crescente.
É possível
observar, portanto, impactos no gerenciamento de energia e no mercado
financeiro implicados pelas tecnologias de armazenamento de energia.
2
3
4
Implementação
de SAE no Brasil
Se faz
necessário avaliar a construção de novas usinas eólicas em conjunto com novas
linhas de transmissão e/ou bancos de baterias a fim de decidir sobre a melhor
alternativa para elaboração do plano de expansão elétrica. Deverá ser papel do
Ministério de Minas e Energia (MME), Empresa de Pesquisa Energética (EPE) e
Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) estudar o local onde é necessário
ter um SAE para fortalecer o sistema. As tecnologias de armazenamento poderão
ser localizadas onde a construção de novas linhas de transmissão não é
possível.
De acordo com
pesquisadores membros do IEEE, o número de contingências no sistema elétrico
diminui quando tecnologia de armazenamento é empregada juntamente com a
expansão da rede desde a fase de planejamento, graças à sua capacidade de
resposta em frequência. O armazenamento possui valor não somente ambiental, mas
também econômico para os interesses do país e da indústria, servindo como um
serviço ancilar e reduzindo investimentos em linhas de transmissão [10].
O estudo do
Ministério de Minas e Energia indica que o Nordeste terá 80% dos
empreendimentos eólicos destinados, enquanto a região Sul terá 20%, pois essas
duas regiões possuem os melhores indicativos para aproveitamento de energia
eólica no país. Ambas terão que estar preparadas para aceitar o aumento de
parques eólicos para seu melhor aproveitamento [1].
4.1
Armazenamento
em sistemas isolados
O Brasil
possui diversos sistemas isolados na região Norte do país, a tecnologia de
armazenamento poderá servir esses sistemas pois diminuiria os custos com
geração de óleo diesel ao ser implementada em conjunto com fontes renováveis [3].
4.2
Custo
benefício de SAE
O SIN tem
dimensões continentais e a escolha do local ideal para a implementação de um
SAE é de extrema importância para sua viabilidade econômica e operacional.
Barramentos que conectam diversas fontes renováveis ou que são pontos de
interconexão entre regiões que podem sofrer com congestionamento são
preferência para servirem de conexão às SAE. Deve-se, porém, evitar a
instalação de mais de um sistema de armazenamento de alta capacidade em barramentos
próximos, uma vez que, para um local específico do sistema, os dois sistemas
irão "competir" um com o outro, operando abaixo de capacidade nominal
de armazenamento e, consequentemente, entregando menos energia ao SIN. Mais
baterias conectadas ao sistema não significa mais benefícios para o mesmo, nem
para os empreendimentos de baterias [4].
Para garantir
que a quantidade ideal de armazenamento esteja disponível ao SIN e em quais barramentos
eles serão conectados, a ONS e a EPE deverão fornecer quais são esses pontos a
fim de dar aos empreendedores a capacidade de analisar seus investimentos de
maneira adequada [12].
Analisando a
Figura 2 percebe-se que os parques eólicos estão concentrados nos subsistemas
Nordeste e Sul, estando também presentes em menor escala no subsistema
Sudeste/Centro-Oeste. Neles estão localizadas as linhas de transmissão que
poderão sofrer congestionamento com o aumento de usinas eólicas. E pode-se
chegar à conclusão de que SAE deverão ser instalados nos pontos dos subsistemas
Nordeste, Sudeste-Centro-Oeste e Sul [13].
No Brasil, o
preço da conta de energia está caro, pois a quantidade de energia eólica
inserida não está sendo suficiente para atender a demanda de maneira continuada
por causa de seu fator intermitente. Esse cenário atual torna o uso de SAE mais
rentável, de acordo com estudo de [4].
5
Desafios
técnicos
Se faz necessário quantificar uso de
baterias em terra e seus desafios [2]. Estudos realizados pelo EPRI procuram dimensionar essas
questões e antecipar problemas para conceber soluções para os SAE [14].
Os desafios
relevantes associados a sistemas de armazenamento e geração eólica são:
·
Quantificação do
armazenamento;
·
A correta escolha
do tipo de armazenamento; e
·
A localização do
mesmo.
3
4
5
5.1
Mercado
de energia
A Câmara de
Comercialização de Energia Elétrica (CCEE) precisa preparar as regras dos
leilões de armazenamento de energia com o propósito de acolher esses
empreendimentos da forma mais adequada possível ao mercado de energia elétrica.
Baterias não geram energia, sua remuneração deverá ser baseada na energia que
elas fornecem ao sistema, com o intuito de não perder a geração barata e limpa
de fontes renováveis. Além das outras aplicações apresentadas neste trabalho.
O EPRI sugere
que seja feita uma etapa eliminatória para o leilão, onde os empreendedores
deverão ser aprovados nos seguintes quesitos [14]:
·
Finanças sólidas;
·
Ausência de
conflitos de interesse;
·
Ausência de
antecedentes legais; e
·
Ética de
compromisso legal perante a CCEE.
É preciso
comprovar que o local da instalação e as características técnicas do sistema de
armazenamento de baterias irão servir ao bem do sistema e aos consumidores.
Informações sobre performance, operação, tempo de vida útil e especificações de
programação são importantes para assegurar que o empreendimento possui
fundações sólidas.
Restrições de
investimentos deverão ser implementadas para o crescimento sadio da rede
elétrica, pois deve-se limitar a quantidade de empreendimentos e expansão de
tecnologias de armazenamento para verificar sua viabilidade econômica [15].
O Brasil não
possui um modelo oficial de suporte à inserção de sistemas de armazenamento
para acompanhar a expansão da fonte eólica, porém existe estudo de modelagem
realizado no programa de mestrado da Universidade do Rio de Janeiro, que serve
como passo inicial a inserção da tecnologia de armazenamento de baterias [16].
Os modelos
existentes de modelagem de sistemas de baterias, como o Regional Energy
Deployment System (ReEDS), pertencente aos Estados Unidos, ainda são
incompletos em relação a verificar oportunidades de negócio para favorecer
expansão ou o controle de frequência da rede [12].
A economia que
envolve a estruturação, modelos de negócio e regulações de SAE ainda precisa
evoluir para a expansão dessa tecnologia [17].
5.2
Evolução
da tecnologia
De acordo com
o documentário Em Busca da Superbateria, do programa de televisão Nova, existem
projetos de pesquisa e desenvolvimento para fabricação de baterias que utilizam
eletrólito de plástico ao invés de fluido inflamável [18]. O interesse nesse tipo de projeto
reside em tornar carros elétricos e aparelhos móveis mais seguros. Mas esse
tipo de tecnologia também pode ser empregado em baterias em terra, pois são
baterias mais leves, de mais fácil manutenção e mais seguras para o homem e o
meio ambiente [18].
5.3
Custos
A eficiência
dos sistemas de armazenamento está atrelada ao seu custo capital. É importante avaliar
se sistemas de alto custo tem melhor custo benefício do que sistemas de baixo
custo.
Numa projeção
de 20 anos o custo capital dos SAE de baixo custo deve ter uma diminuição mais
drástica em relação as de médio e alto custo conforme Figura 3, tornando esses
sistemas mais acessíveis [12].
Figura 3: Custo capital de bateria de lítio com trajetórias de baixo,
médio e alto custo para 8 horas de capacidade de entrega de energia em $/KW.
Fonte: adaptado de Cole et al. (2016).
Em relação a
operação e manutenção, o alto preço das baterias também é um impedimento para o
desenvolvimento da tecnologia atualmente. Espera-se que os custos de operação e
manutenção de baterias de alto custo se mantenha elevado até 2050. Enquanto as
de médio e baixo custo devem cair cerca de 50% e 66%, respectivamente [12].
O estudo conduzido
no laboratório de energia renovável dos Estados Unidos da América indica que as
baterias de baixo custo devem liderar o mercado pela sua facilidade e retorno
financeiro, seguidas pelas baterias de alto custo. Porém as baterias de alto
custo possuem capacidade muito maior de energia de reserva para o sistema e
evitar congestionamentos nas linhas de transmissão. Com o aumento esperado de
usinas eólicas, espera-se um aumento na mesma proporção de SAE, portanto é
preciso observar que baterias de alto e médio custo possuem mais capacidade de
reservar energia e servir ao SIN do que baterias de baixo custo [12].
6
Conclusões
Sistemas de
armazenamento de energia mostram-se uma boa solução para atenuar problemas de
corte de transmissão energia devido a saturação da rede. Seu sucesso é
importante para a expansão de fontes renováveis como a eólica, e manutenção da
alta parcela de energia limpa que a matriz energética brasileira possui.
Para a
pesquisa e desenvolvimento é aconselhável aplicação variada de tecnologias de
armazenamento, como as de chumbo-ácido (baixo custo) e lítio (alto custo). Para
tornar possível a coleta de informações pelos órgãos do governo, sistemas mais
simples e variados deverão servir para análise econômica, de O&M e de
mercado.
Investimentos
na evolução em tecnologia de baterias devem ser feitos para tornar esses
empreendimentos atrativos aos financiadores e empresários. E estudos devem
verificar se esses empreendimentos realmente irão introduzir preços menores de
conta de energia a fim de favorecer a indústria a investir no Brasil.
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decenal de expansão de energia 2027.
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technology assessment. In: LIBRARY OF
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[16] TEIXEIRA, T. P. Modelagem da
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[17] ZAKERI, B.; SYRI, S.
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[18] NOVA. Em Busca da Superbateria. Produção: Daniel McCabe.
2017.