Ampliar as energias renováveis pode não fornecer energia térmica suficiente no inverno

em termos de armazenamento de energia térmica para o inverno, época em que há maior necessidade. A Figura 1 mostra dramaticamente como, nos EUA, o uso residencial de combustíveis para aquecimento aumenta durante os meses de inverno.

Figura 1. Uso residencial de energia nos EUA, com base em dados do EIA. A categoria “Gás Natural, etc.” inclui todos os combustíveis comprados diretamente pelas famílias e queimados. Isso é principalmente gás natural, mas também inclui pequenas quantidades de propano e diesel queimados como óleo de aquecimento. Lascas de madeira ou outras madeiras comerciais compradas para serem queimadas também estão nesta categoria.

A energia solar é mais abundantemente disponível no período de maio-junho-julho, tornando-se um candidato ruim para resolver o problema da necessidade de calor no inverno.

Figura 2. Produção de eletricidade solar da Califórnia por mês até 30 de junho de 2022, com base em dados de EIA. Os valores são para escala de serviço público e solar combinado de pequena escala.

De certa forma, a falta de disponibilidade de combustíveis para o inverno é um canário na mina de carvão em relação à futura escassez de energia. As pessoas estão preocupadas com a escassez de petróleo, mas a escassez de combustível no inverno é, em muitos aspectos, tão ruim quanto. Eles podem resultar em pessoas “congelando no escuro”.

Neste post, vou analisar alguns dos problemas envolvidos.

[1] As baterias são adequadas para ajustar o tempo preciso durante um período de 24 horas em que a eletricidade solar é usada. Elas não podem ser dimensionadas para armazenar energia solar do verão ao inverno.

No mundo de hoje, as baterias podem ser usadas para retardar o uso da eletricidade solar por no máximo algumas horas. Em situações excepcionais, talvez o período de retenção possa ser aumentado para alguns dias.

A Califórnia é conhecida tanto por seu alto nível de armazenamento por baterias quanto por seu alto nível de energias renováveis. Essas energias renováveis incluem energia solar e eólica, além de quantidades menores de eletricidade gerada em usinas geotérmicas e eletricidade gerada pela queima de biomassa. O problema encontrado é que a eletricidade gerada pelos painéis solares tende a começar e terminar muito cedo, em relação a quando os cidadãos querem usar essa eletricidade. Depois que os cidadãos voltam para casa depois do trabalho, eles gostariam de cozinhar seus jantares e usar o ar-condicionado, levando a uma demanda considerável após o pôr do sol.

Figura 3. Ilustração do Inside Climate News mostrando a combinação de recursos utilizados durante 9 de julho de 2022, que foi um dia de pico de consumo de eletricidade. As importações referem-se à eletricidade comprada fora do Estado da Califórnia.

A Figura 3 ilustra como as baterias em combinação com a geração hidrelétrica são usadas para economizar a geração de eletricidade desde o início do dia para uso à noite. Embora o uso da bateria seja adequado para ajustar exatamente quando, durante um período de 24 horas, a energia solar for usada, a quantidade de baterias não pode ser aumentada o suficiente para economizar eletricidade do verão ao inverno. O mundo ficaria sem materiais de fabricação de baterias, simples assim.

[2] Aumentar a energia hidrelétrica não é uma solução para nosso problema de energia inadequada para aquecimento no inverno.

Um problema é que, em economias há muito industrializadas, as capacidades hidrelétricas foram construídas anos atrás.

Figura 4. Geração hídrica anual com base nos dados da Revisão Estatística da Energia Mundial de 2022 da BP.

É difícil acreditar em novas construções nesses países.

Outra questão é que a hidrelétrica tende a ser bastante variável de ano para ano, mesmo em uma área tão grande quanto os Estados Unidos, conforme mostrado na Figura 4 acima. Quando a variabilidade é vista em uma área menor, a variabilidade ano a ano é ainda maior, conforme ilustrado na Figura 5 abaixo.

Figura 5. Geração hidrelétrica mensal da Califórnia até 30 de junho de 2022, com base em dados de EIA.

O padrão mostrado reflete o pico de geração na primavera, quando o bloco de gelo está derretendo. A baixa geração geralmente ocorre durante o inverno, quando a água está congelada. Assim, a hidrelétrica tende a não ser útil para aumentar o suprimento de energia no inverno. Um padrão semelhante tende a acontecer em outras áreas temperadas.

Uma terceira questão é que a variabilidade na oferta hídrica já está causando problemas. A Noruega informou recentemente que pode precisar limitar as exportações hidrelétricas nos próximos meses porque os reservatórios de água estão baixos. As exportações de eletricidade da Noruega são usadas para ajudar a equilibrar a eletricidade eólica e solar da Europa. Assim, esta questão pode levar a mais um problema energético para a Europa.

Como outro exemplo, a China relata uma grave crise de energia em sua província de Sichuan, relacionada à baixa precipitação e altas temperaturas. A geração de combustível fóssil não está disponível para preencher a lacuna.

[3] A energia eólica não é muito melhor do que a hídrica e a solar, em termos de variabilidade e baixo tempo de fornecimento.

Por exemplo, a Europa experimentou uma crise de energia no terceiro trimestre de 2021 relacionada a ventos fracos. Os maiores produtores eólicos da Europa (Grã-Bretanha, Alemanha e França) produziram apenas 14% da sua capacidade nominal durante este período, em comparação com uma média de 20% a 26% em anos anteriores. Ninguém havia planejado esse tipo de déficit de três meses.

Em 2021, a China experimentou um clima seco e sem vento, resultando em baixa geração de energia eólica e hidrelétrica. O país achou necessário usar apagões contínuos para lidar com a situação. Isso fez com que os semáforos falhassem e muitas famílias precisassem jantar à luz de velas.
Mesmo vista em nível nacional, a geração eólica dos EUA varia consideravelmente de mês para mês.

Figura 6. Geração total de eletricidade eólica nos EUA até 20 de junho de 2022, com base em dados de EIA.

A geração total de eletricidade eólica dos EUA tende a ser mais alta em abril ou maio. Isso pode causar problemas de excesso de oferta porque a geração hidrelétrica tende a ser alta na mesma época. A demanda por eletricidade tende a ser baixa devido ao clima geralmente ameno. O resultado é que, mesmo nos níveis renováveis de hoje, uma primavera úmida e ventosa pode levar a uma situação em que a combinação de fornecimento de eletricidade hidrelétrica e eólica excede a demanda local total por eletricidade.

[4] À medida que mais energia eólica e solar são adicionadas à rede, os desafios e os custos se tornam cada vez maiores.

Há um grande número de problemas técnicos associados à tentativa de adicionar uma grande quantidade de energia eólica e solar à rede. Alguns deles estão descritos na Figura 7.

Figura 7. Slide introdutório de uma apresentação de engenheiros de energia mostrada neste vídeo do YouTube.

Um dos problemas é a distorção de torque, especialmente relacionada à energia eólica.

Figura 8. Slide descrevendo problemas de distorção de torque da mesma apresentação para engenheiros de energia da Figura 7

Há também muitos outros problemas, incluindo alguns descritos no site da Drax. A energia eólica e solar não fornecem “inércia” ao sistema. Isso me faz pensar se a rede poderia funcionar sem uma quantidade substancial de combustível fóssil ou geração nuclear fornecendo inércia suficiente.

Além disso, a energia eólica e solar tendem a fazer flutuar a tensão, necessitando de sistemas para absorver e descarregar algo chamado de “potência reativa”.

[5] A palavra “sustentável” criou expectativas irreais em relação à energia eólica e solar intermitente.

Uma pessoa do setor de reparos de turbinas eólicas me disse uma vez: “As turbinas eólicas funcionam com um suprimento constante de peças de reposição”. As peças individuais podem ser feitas para durar 20 anos, ou até mais, mas há tantas peças que algumas provavelmente precisarão ser substituídas muito antes disso. Um artigo da Windpower Engineering diz: “As caixas de engrenagens da turbina geralmente têm uma vida útil de 20 anos, mas poucas passam da marca de 10 anos”.

Há também o problema dos danos causados pelo vento, especialmente no caso de uma forte tempestade.

Figura 9. Painéis solares danificados pelo furacão em Porto Rico

Além disso, as vidas operacionais das usinas de geração de combustível fóssil e nuclear são tipicamente muito mais longas do que as de energia eólica e solar. Nos EUA, algumas usinas nucleares têm licenças para operar por 60 anos. Esforços estão em andamento para estender algumas licenças para 80 anos.

Com a curta vida útil da energia eólica e solar, é necessária a reconstrução constante de turbinas eólicas e geração solar, usando combustíveis fósseis. Entre a questão da reconstrução e a necessidade de combustíveis fósseis para manter a rede elétrica, não se pode esperar que a produção de turbinas eólicas e painéis solares dure mais do que o fornecimento de combustível fóssil.

[6] A modelagem de energia levou a expectativas irreais para energia eólica e solar.

Os modelos de energia não levam em consideração todos os muitos ajustes no sistema de transmissão necessários para suportar a energia eólica e solar e os custos adicionais resultantes. Além do custo direto da transmissão extra necessária, há uma necessidade contínua de inspecionar as peças quanto a sinais de desgaste. A vegetação ao redor das linhas de transmissão também precisa ser cortada. Se a manutenção adequada não for realizada, as linhas de transmissão podem causar incêndios. Enterrar linhas de transmissão às vezes é uma opção, mas isso é caro, tanto em uso de energia quanto em custo.

Os modelos de energia também não levam em conta o desempenho das turbinas eólicas e dos painéis solares na “vida real”. Em particular, a maioria dos pesquisadores não entende que não se pode esperar que a eletricidade de painéis solares seja muito útil para atender à nossa necessidade de energia térmica no inverno. Se quisermos adicionar mais ar condicionado no verão, os painéis solares podem “mais ou menos” apoiar esse esforço, especialmente se as baterias também forem adicionadas para ajudar a ajustar quando, durante o dia de 24 horas, a eletricidade solar será utilizada. Infelizmente, não temos nenhuma maneira realista de economizar a produção de painéis solares do verão para o inverno.

Parece-me que manter o ar condicionado é um uso bastante frívolo para o que parece ser uma quantidade cada vez menor de fornecimento de energia disponível. Na minha opinião, nossas duas primeiras prioridades devem ser o fornecimento adequado de alimentos e a prevenção do congelamento no escuro do inverno. A energia solar, especialmente, não faz nada para esses problemas. O vento pode ser usado para bombear água para culturas e animais. De fato, um moinho de vento comum, construído há 100 anos, também pode ser usado para fornecer esse tipo de serviço.

Por causa da questão da intermitência, especialmente a questão da intermitência “verão ao inverno”, a energia eólica e solar não são realmente substitutas da eletricidade produzida por combustíveis fósseis ou nucleares. O problema é que a maior parte do sistema atual precisa permanecer em vigor, além do sistema de energia renovável. Quando os pesquisadores fazem comparações de custos, eles devem comparar o custo da energia intermitente, incluindo baterias necessárias e melhorias na rede, com o custo do combustível economizado ao operar esses dispositivos.

[7] Planos de preços competitivos que permitem o crescimento da eletricidade eólica e solar são parte do que está levando várias áreas do mundo a um problema de “congelamento no escuro”.

Nos primórdios da produção de eletricidade, o “preço da utilidade” era geralmente usado. Com esta abordagem, foi incentivada a integração vertical do fornecimento de eletricidade. Uma concessionária faria contratos de longo prazo com vários fornecedores e definiria preços para os clientes com base no custo esperado de longo prazo da produção e distribuição de eletricidade. A concessionária garantiria que as linhas de transmissão fossem devidamente reparadas e adicionaria nova geração conforme necessário.

Os preços da energia de todos os tipos dispararam no final da década de 1970. Pouco tempo depois, na tentativa de evitar que os altos preços da eletricidade provocassem inflação, começou a ocorrer uma mudança nos arranjos de preços. Mais competição foi incentivada, com a nova abordagem chamada de preços competitivos. Os grupos verticalmente integrados foram desmembrados. Os preços da eletricidade no atacado começaram a variar de acordo com a hora do dia, com base em quais fornecedores estavam dispostos a vender sua produção pelo preço mais baixo, naquele período específico. Essa abordagem encorajou os provedores a negligenciar a manutenção de suas linhas de energia e parar de adicionar mais capacidade de armazenamento. Qualquer tipo de despesa geral era desencorajada.

De fato, sob esse arranjo, a energia eólica e solar também tiveram o privilégio de “chegar primeiro”. Se for produzida muita energia no total, podem resultar taxas negativas para outros fornecedores. Esta abordagem foi especialmente prejudicial para a energia nuclear. As usinas nucleares descobriram que sua estrutura geral de preços era muito baixa. Às vezes, fechavam por causa da lucratividade inadequada. Novos investimentos em energia nuclear foram desencorajados, assim como a manutenção adequada. Este efeito foi especialmente perceptível na Europa.

Figura 10. Eletricidade nuclear, eólica e solar gerada na Europa, com base nos dados da Revisão Estatística da Energia Mundial de 2022 da BP.

O resultado é que cerca de um terço do ganho da energia eólica e solar foi compensado pelo declínio na geração de eletricidade nuclear. Claro, a energia nuclear é outra forma de eletricidade com baixo teor de carbono. É muito mais confiável do que eólica ou solar. Pode até ajudar a evitar o congelamento no escuro, porque é provável que esteja disponível no inverno, quando é provável que seja necessária mais eletricidade para aquecimento.

Outra questão é que os preços competitivos desencorajaram a construção de instalações adequadas de armazenamento de gás natural. Além disso, tendia a desencorajar a compra de gás natural sob contratos de longo prazo. O pensamento era: “Em vez de construir armazenamento, por que não esperar até que o gás natural seja necessário e depois comprá-lo à taxa de mercado?”

Infelizmente, a produção de gás natural exige investimentos de longo prazo. As empresas produtoras de gás natural operam poços que produzem quantidades aproximadamente iguais durante todo o ano. O mesmo padrão de alto consumo de gás natural no inverno tende a ocorrer quase simultaneamente em muitas áreas do Hemisfério Norte com invernos frios. Para que o sistema funcione, os clientes precisam comprar gás natural durante todo o ano e guardá-lo para o inverno.

A produção de gás natural vem caindo na Europa, assim como a produção de carvão (não mostrado), exigindo mais importações de combustível de substituição, geralmente gás natural.

Figura 11. Produção de gás natural na Europa, com base nos dados da BP's 2022 Statistical Review of World Energy.

Com classificação competitiva e navios de GNL parecendo vender gás natural “conforme necessário”, tem havido uma tendência na Europa de ignorar a necessidade de contratos de longo prazo e armazenamento adicional para acompanhar o aumento das importações de gás natural. Agora, a Europa está começando a descobrir a loucura dessa abordagem. Solar é quase inútil para fornecer eletricidade no inverno; vento não pode ser confiável. Ele não aumenta com rapidez suficiente, em qualquer período de tempo razoável. O perigo é que os países corram o risco de ter seus cidadãos congelados no inverno devido à disponibilidade inadequada de importação de gás natural.

[8] O mundo está muito longe de produzir energia eólica e solar suficientes para resolver seus problemas de energia, especialmente sua necessidade de calor no inverno.

O suprimento de energia que o mundo usa inclui muito mais do que eletricidade. Contém petróleo e combustíveis queimados diretamente, como o gás natural. A participação percentual deste fornecimento total de energia que a produção eólica e solar fornece depende de como é contada. A Agência Internacional de Energia trata a energia eólica e solar como se apenas substituíssem o combustível, em vez de substituir a eletricidade despachável.

Figura 12 Geração eólica e solar para uma categoria chamada “Eólica, Solar, etc.” pelo IEA. Os valores são para 2020 para Alemanha, Reino Unido, Austrália, Noruega, Estados Unidos e Japão. Para os demais grupos mostrados neste gráfico, os valores são calculados com base nos dados de 2019.

Nesta base, a participação no total de energia fornecida pela categoria Eólica e Solar é muito baixa, apenas 2,2% para o mundo como um todo. A Alemanha aparece em primeiro lugar entre os grupos analisados, mas mesmo assim está substituindo apenas 6,0% de sua energia total consumida. É difícil imaginar como a terra e a água ao redor da Alemanha poderiam tolerar turbinas eólicas e painéis solares sendo aumentados o suficiente para cobrir esse déficit. Outras partes do mundo estão ainda mais longe de substituir os atuais suprimentos de energia por eólica e solar.

Claramente, não podemos esperar que a energia eólica e solar sejam aumentadas para atender às nossas necessidades de energia, mesmo em combinação com a hidrelétrica.

Original: https://ourfiniteworld.com/2022/09/20/ramping-up-renewables-cant-provide-enough-heat-energy-in-winter/