Perguntas freqüentes sobre energia renovável, parte 2

Tendo considerado na primeira parte aquelas questões sobre fontes de energia renováveis ​​(RES), que até recentemente eram consideradas uma barreira séria ao seu desenvolvimento, mas foram posteriormente removidas ou enfraquecidas, chegamos aos problemas de energia renovável, hoje relevantes.


Estação de energia solar chinesa flutuante

U: A variabilidade e incontrolabilidade fundamentais da geração de energia renovável limitam sua participação no sistema de energia de 10 a 20%, após o que os acidentes e apagões começam.

R: Inicialmente, todas as redes elétricas de grande escala têm a capacidade de ajustar a produção e a demanda - em uma escala de 5 a 10% em minutos e em uma escala de 30 a 70% durante o dia. A automação desse processo permite incorporar pequenas parcelas de geração de energia renovável na rede, por exemplo, 10% da produção anual em fontes concentradas ou 20% é distribuído por toda a rede.

Com um aumento adicional na penetração da variável RES, os problemas começam a crescer, porque as capacidades de compensação dos geradores controlados estão esgotadas.


Participação na geração de energia renovável na Alemanha por ano. Cerca de 6 a 7 pontos percentuais aqui são hidrelétricas e outras 5% - usinas de biomassa térmica.

Até a participação da penetração de fontes renováveis ​​mutáveis ​​de 25 a 30% no consumo total anual, no entanto, existem soluções técnicas suficientes: implementação de sistemas de previsão do tempo no controle de despacho (= geração RES), modernização de usinas termelétricas para aumentar a taxa de mudança de capacidade, adicionando novas linhas de energia e subestações para aumentar as oportunidades de fluxo de energia.

Portanto, na Alemanha, com o aumento da parcela de energia renovável variável de 8 para 20% de 2010 a 2015, a queda de energia média por assinante quase não mudou - de 11,5 para 12,2 minutos por ano (ou seja, 2 milésimos de um por cento do tempo) . No entanto, o custo dessa estabilidade aumentou significativamente, o que discutiremos na seção apropriada.

Podemos dizer algumas palavras sobre o lado técnico da questão. Tradicionalmente, o balanceamento da rede elétrica era baseado em dois pontos - a rotação síncrona de todos os geradores da rede, que introduzia inércia e insensibilidade decentes às rápidas mudanças na carga e à regulação ativa da energia, o que nos permitiu recuperar trocas de carga lentas e em larga escala (por exemplo, durante o dia e a noite).



A geração de RES, por exemplo, solar, não possui inércia, mas é capaz de sintetizar a frequência necessária para a rede, a resistência da fonte (isto é, a corrente fornecida) e as características reativas. Além disso, os geradores eólicos modernos podem usar a inércia do rotor de uma turbina eólica para sintetizar a inércia necessária da rede, embora até agora essa técnica não seja amplamente utilizada.

Juntamente com canais de comunicação permanentes com o software de controle do despachante, as redes RES podem, teoricamente, apoiar o bom funcionamento da rede elétrica, embora, devido à novidade desse fenômeno e à complexidade do fenômeno, ainda existam problemas (por exemplo, desbotamento em grande escala na Austrália em fevereiro de 2017 devido a violação da correta interação de redes, geração eólica e capacidades térmicas)

Pode-se dizer cautelosamente que, embora a velocidade de implementação das FER não seja muito alta, dependendo do custo da mudança do sistema energético do país para FER, os problemas técnicos são insignificantes - a economia e o despacho da rede têm tempo para se adaptar à situação existente.

U: Para equilibrar a variabilidade de energia renovável, são necessárias quantidades incríveis de armazenamento de energia - centenas de vezes maior que a produção anual atual. Então, o equilíbrio é impossível.

R: A acumulação é a maneira lógica mais fácil de lidar com a variabilidade - acumulamos energia em superávits climáticos e gastamos em deficiências. Para o sol em bons lugares (onde o LCOE da eletricidade primária dos painéis é baixo), a acumulação diária deixa gradualmente os laboratórios em campo - os primeiros projetos aparecem (por exemplo, já existem algumas dezenas de projetos) com painéis de potência de dezenas de megawatts, capacidade de bateria de dezenas e centenas de megawatts * horas - no caso mais simples de “sempre bom tempo”, isso é suficiente para fornecer aos clientes 24 horas por dia uma capacidade de cerca de 25 a 30% da capacidade instalada do SB.

Os problemas começam se tentarmos estender o fornecimento contínuo de eletricidade por "um lindo dia ensolarado de verão"


Alterações na produção teórica do módulo SB durante o ano (dia do ano no eixo inferior), dependendo da latitude da instalação.

De fato, mesmo à primeira vista nos cronogramas anuais de geração de energia renovável, sua sazonalidade se torna visível, para as usinas de energia solar na Alemanha, digamos, atingindo uma diferença de 30 vezes (!) Entre o pico do verão e o mínimo do inverno. Isso significa que você precisa criar um excesso impressionante de energia renovável (7 ou talvez 10 vezes) ou poder armazenar energia de verão para o inverno.


Programa semanal de produção de energia renovável na Alemanha em 2017. A diferença de sol entre a pior semana (51) e a melhor (22) chega a 53 vezes.

No cenário de armazenamento sazonal, os tamanhos de bateria obtidos nos modelos para países de latitudes moderadas representam vários por cento do consumo anual de energia para a parcela de geração de energia renovável na região de 60 a 85%. Uma porcentagem pequena para a Alemanha, por exemplo, é 10..15 TWh * h, apesar do fato de que a produção global de baterias de íon de lítio ser hoje de cerca de 0,25 TW * h por ano. Mesmo números colossais para os Estados Unidos e China - podemos falar de 50 ... 200 TW * h. Além disso, esses números são otimizados para uma certa mistura de variabilidade, porque por exemplo, no caso da Alemanha, a anticorrelação da sazonalidade do vento e do sol (visível no gráfico acima) desempenha um papel na redução do tamanho da acumulação.

Por outro lado, não há nada fundamentalmente impossível nessas figuras - há lítio suficiente no planeta para construir quantidades de mega-baterias, a humanidade também sabe como construir fábricas. Perguntas são levantadas pelo preço de tal decisão, mas mais sobre isso abaixo.

A situação com o possível armazenamento de eletricidade em usinas de armazenamento bombeado (PSPPs) é um pouco melhor - aqui você pode encontrar muitas formações naturais e artificiais que permitem armazenar as quantidades necessárias de eletricidade, mas esses lugares estão espalhados pelo planeta de maneira muito desigual e se grandes países como os Estados Unidos provavelmente enfrentarão Com a questão da acumulação sem aumentar a produção de baterias de íon-lítio por um fator de 1000, não seria possível criar um PSP na Europa.


Projetos de armazenamento solar estão se desenvolvendo ativamente no Chile

Finalmente, para usinas de energia solar, há uma variante de usinas termoelétricas com um acumulador de calor - essa tecnologia está se desenvolvendo e promete eletricidade ininterrupta a um preço acessível, mas hoje suas perspectivas não são completamente claras. Se os problemas de acumulação de energia se tornarem mais agudos à medida que a parcela de energia renovável crescer, é possível que alguns deles sejam abordados precisamente com a ajuda dos acumuladores de calor da SES .

Até agora, eles estão tentando resolver problemas de balanceamento de maneira comprometida - expandindo as capacidades de compensação de outros tipos de geradores de energia elétrica, construindo usinas especiais de "pico" de gás, construindo baterias locais e demanda por "fontes de energia renováveis ​​24 horas" - toda essa atividade aumenta um pouco a parcela permitida de geração não controlada em sistema elétrico.

No futuro, aparentemente, o número de projetos de armazenamento de energia aumentará, mas levará muito tempo para que algum tipo de sistemática e significado sistêmico apareça devido à enorme lacuna entre a atual escala de implementação e as necessidades teóricas.

U: Ninguém leva em consideração o custo real de equilibrar a variabilidade de FER no sistema de energia. Quando esse custo subir, os planos para a introdução de energia renovável entrarão em colapso.

R: Eu já mencionei acima que, até uma parcela de fontes renováveis ​​de energia de 10 a 20%, os custos são cobertos pelos mecanismos compensatórios incorporados das redes de energia, portanto são invisíveis. No entanto, quando essa barra é excedida, eles começam a crescer.

O compartilhamento permitido de fontes alternativas pode ser aumentado pelos métodos tradicionais - introduzindo uma previsão de geração de energia renovável por horas e dias adiante, aprimorando a manobrabilidade da geração controlada (usinas térmicas, nucleares e hidrelétricas), aumentando o número de conexões de rede, controlando (se possível) a demanda por eletricidade. O custo dessas soluções, de acordo com o estudo (M. Joosa, I. Staffellb, 2018), é bastante substancial - os custos de rede na Alemanha e na Grã-Bretanha aumentaram em + 60% com um aumento na participação da variável RES de 8 para 20% e de 3 para 14%, respectivamente. Aqui deve ser entendido que a função de custo é extremamente não linear - a maior parte dos custos ocorre quando as capacidades compensatórias da rede elétrica atingem o limite. Esse momento é bem ilustrado por essa imagem



Aqui, os custos dos operadores alemães da rede elétrica para equilibrar ventos variáveis ​​são expressos em euros. Em 2012, eles gastaram 200 milhões de euros a 50 TWh (4 euros por MWh - uma pequena porcentagem do LCOE do vento) e, em 2015, quando havia um valor incomumente alto - 1.100 milhões de euros a 80 TW * h, t. e 13,75 euros por MWh - mais de 20% do vento LCOE na Alemanha em 2015.

A situação pode ser ilustrada da seguinte maneira: com um aumento na participação de energia renovável, os custos do sistema aumentam e, se o LCOE de energia renovável diminuir com o aumento de seus volumes, o LCOE do sistema cai primeiro e a partir de uma determinada parte é substituído pelo crescimento, e esse crescimento acelera

A aceleração do crescimento do sistema LCOE com o aumento da parcela de energia renovável pode ser explicada com detalhes bastante óbvios (uma grande parte da energia renovável não é aceita pelo sistema, pois desnecessário, o KIUM da geração tradicional está caindo, mais e mais redes precisam ser construídas, etc.), mas em geral isso pode ser explicado de uma maneira mais geral: a antiga estrutura do sistema de energia está se tornando cada vez menos ideal para fontes de energia renováveis ​​e é necessário construir uma nova otimizada para uma grande parcela de fontes de energia renováveis. Como a construção é muito cara (podemos falar de vários PIB anuais do país), ela deve ser alongada por décadas. E todas essas décadas, o sistema de energia operará em um modo não ideal, ou seja, sistema de médio prazo LCOE será maior que a longo prazo. Essas são boas e más notícias para os entusiastas das energias renováveis ​​- por um lado, a luz é visível no fim do túnel (e o desenvolvimento da tecnologia trabalha para reduzir custos); por outro lado, décadas dolorosas de altos custos aguardam as fontes de energia renovável, que nem todos os países podem suportar.

Os custos podem ser estimados acima - por exemplo, 10 TWh de baterias de íon-lítio custarão (a um custo ligeiramente promissor) um trilhão de dólares, a construção de linhas de energia transcontinentais na Europa em uma escala de 200 GW - outro trilhão de dólares, a construção de um terwatt de turbinas eólicas - outros dois trilhões e etc.

Assim, é obtida a seguinte graduação: quase todos os países hoje podem pagar de 10 a 20% da geração de energia renovável, e os do sul e ricos ou localizados em locais únicos podem pagar mais a um custo igual ou até menor que a geração tradicional.

Uma parcela de 40-50%, se os países com uma geração hidrotérmica ou geotérmica predominante puderem ser devolvidos, os países ricos ou com uma localização única podem se sustentar - isso inclui Alemanha, Dinamarca (que já tem quase 50%), Grã-Bretanha, Califórnia (considerando-se um país separado) , Texas e também países como Arábia Saudita, Emirados Árabes Unidos, Kuwait e outras monarquias de inundação.

Um aumento adicional da parcela de energia renovável nesses países exigirá uma reestruturação fundamental das redes e se arrastará por muito tempo, indo além do horizonte de previsão inercial confiável.

W: Bem, tudo bem, de alguma forma, é muito confuso, mas quais são as perspectivas de energia renovável? Eles vão derrotar todas as outras fontes ou não?

A: A pergunta requer conhecimento do futuro, que eu não possuo. Mas se você olhar para as previsões de vários escritórios, poderá ver que os otimistas (Bloomberg NEF) acreditam que, até 2050, a parcela de FER mutável alcançará 48% em eletricidade (cerca de 24% no primário) e pessimistas (British Petroleum), que é ~ 30 % (15%) com a participação atual de ~ 10% na produção de eletricidade e cerca de 4,5% na produção de energia primária.


A previsão da Bloomberg refere-se à produção de eletricidade (40-50% do consumo total de energia primária, a proporção aumentará)


A previsão da BP abrange o consumo de energia primária; portanto, a parcela de energia renovável aqui parece menor e é dividida em vários cenários.

Na minha opinião, essas previsões inerciais e de compromisso podem ser jogadas fora no lixo - em qualquer caso, na linha suave traçada entre hoje e 2050. O desenvolvimento de energia renovável será determinado por vários fatores - haverá novas baterias baratas (a um preço de US $ 50 por quilowatt * hora de bateria, o preço diário 24 horas por dia do sol será igual ao gás / carvão na maioria dos países do mundo), será o "fim dos hidrocarbonetos" ou coisas novas como xisto / petróleo em alto mar ou aquecimento global se tornará óbvio demais para deixá-lo travar ... Por outro lado, a perda de popularidade do tópico "verde", o cansaço dos eleitores pelos custos da "virada energética", economia dificuldades, estagnação do consumo de energia.


Outra previsão para as baterias BNEF é de 1291 GW (* h?) Das baterias instaladas até 2050, das quais 40% localmente em residências com SB, US $ 70 por quilowatt * hora do módulo de bateria (hoje esse preço é de cerca de US $ 200).

No final, a história conhece muitas previsões injustificadas de energia - por exemplo, as previsões para o desenvolvimento da energia nuclear dos anos 60 divergiram da realidade cerca de dez vezes, ou as previsões de 15 anos atrás para o desenvolvimento de energia renovável na Espanha até 2020 dobraram.

A única coisa que se pode prever é que até 2050 a situação de domínio absoluto do FER no mundo definitivamente não ocorrerá , embora o NEF da Bloomberg para o RES + hydro preveja uma previsão de 64% da produção total de eletricidade (o que corresponde a cerca de 30-32% da produção primária - hoje é sobre isso partes iguais são ocupadas por carvão, gás e petróleo). Somente no final do século XXI as previsões inerciais dão uma transição quase completa para as energias renováveis, mas é absolutamente impossível prever a probabilidade de que isso aconteça.

U: E o avanço tecnológico, novos painéis solares ou superacumuladores - quais são as perspectivas aqui? Talvez haja algo no horizonte?

R: Nos últimos 10 a 15 anos, recursos financeiros e humanos muito sérios foram lançados na busca de inovações no campo de energia renovável e armazenamento de energia. No entanto, a competição entre grupos científicos nesse grande campo é extremamente acirrada. Os grupos são forçados a divulgar suas descobertas, para que toda semana você possa ouvir sobre outra inovação no campo das baterias ou um pouco menos - no campo das energias renováveis.


O desenvolvimento de baterias de íons de lítio pode ser ilustrado por um aumento no consumo de energia específico (W * h por quilograma). Embora os pontos sejam cobertos por um expoente, o retângulo da previsão provavelmente indica um crescimento contínuo até 2030 (1,66 vezes). Embora o consumo específico de energia não esteja diretamente relacionado ao custo, ele o afeta - menos materiais por kWh - menos preço.

No entanto, estatísticas imparciais mostram que o número de patentes emitidas nesse campo está diminuindo após o pico em 2015. A posição dominante do silício policristalino SB no mercado hoje (há 10-5 anos atrás, 4-5 tecnologias diferentes tinham partes iguais) e 2-3 tipos estruturais muito semelhantes de moinhos de vento sugeriram que a consolidação tecnológica de fontes de energia renováveis ​​está completa. Isso, por sua vez, significa que não foram encontradas opções nos laboratórios que prometessem um avanço do nível atual, e os principais fabricantes passaram da pesquisa para a otimização, onde é mais difícil obter uma nova patente.



Outro fator joga aqui. Por muitos anos, o preço, por exemplo, da eletricidade solar, foi dominado pelo custo de um painel de semicondutores. No entanto, durante os anos de expansão, esse custo caiu tanto que a parcela da “parte de semicondutor” caiu para <50% do custo total da SES. Uma redução adicional no preço perdeu sua força anterior e não afeta tanto o LCOE, o que significa que ele não é tão demandado pelo mercado.


2018 neste gráfico é uma previsão que ainda não foi justificada, o preço congelou no nível de 16 a 17, o que também pode ser considerado um momento importante no desenvolvimento da tecnologia

Isso significa que agora estamos aguardando uma evolução monótona, quando uma melhoria de 10% na eficiência em 10 anos é considerada um resultado super bacana? Esta situação é provável. No entanto, diferentemente da aviação civil, ainda existe a chance de que alguma nova tecnologia "atire". Por exemplo, parece que reduzir o preço dos painéis em 10 vezes não faz sentido para o LCOE? Mas isso significa uma grande simplificação da questão de acumulação e balanceamento - agora, com o mesmo dinheiro, você pode instalar um enorme excesso de painéis que simplesmente não funcionam no verão e, ao mesmo tempo, fornecem energia suficiente no inverno.

O futuro não é conhecido, mas a física / engenharia de estado sólido ainda apresenta surpresas regularmente, por isso é muito cedo para descontar essa opção. A única coisa que se pode dizer é que, mesmo que tal revolução ocorra, ela afetará a trajetória global da introdução de fontes de energia renovável não antes de 10 anos, mas reverterá completamente todas as previsões em 15 a 20 anos.

Se adotarmos as tecnologias de bateria, aqui a balança, pelo contrário, é tendenciosa em favor da probabilidade de mudanças revolucionárias, uma vez que existem imediatamente muitas áreas promissoras de desenvolvimento e uma grande lacuna entre as capacidades teóricas do lítio e da realidade. . *, .

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