Quase metade das postagens em nosso blog é, em um grau ou outro, dedicada a energia de vários graus alternativos e não alternativos. Mas, para criar previsões realistas sobre a energia "verde" do futuro, você precisa saber as respostas para perguntas desagradáveis. Neste post, compararemos os fatos atuais do campo da produção e armazenamento de energia para entender por que o mundo não tem pressa em mudar para fontes de energia renovável ambientalmente amigáveis e que problemas ainda precisam ser resolvidos no caminho do esverdeamento.
Sem exceção, todos notaram um aumento na participação da energia verde no mundo. Não se discute esse fato: o desenvolvimento da energia solar e eólica está realmente
crescendo de ano para ano, em um ritmo impressionante. Isso significa que a energia renovável está constantemente eliminando os combustíveis fósseis? Não.
Não se esqueça que, ano após ano, não apenas a energia verde está crescendo, mas também o consumo global de eletricidade. Para satisfazer a demanda, fontes de energia renováveis por si só não são suficientes; portanto, os setores de carvão, gás e até petróleo estão aumentando os volumes de produção. Ou seja, é possível falar sobre o desenvolvimento da energia verde, mas não há como substituí-lo com base em combustíveis fósseis fora dos países europeus mais progressistas.
Se você observar a produção de energia de todos os combustíveis relevantes,
acontece que não apenas a energia "verde" está crescendo. O cálculo é feito em “toneladas de óleo equivalente” - o equivalente à energia obtida a partir de toneladas de óleo. Fonte: Revisão Estatística BP da World Energy 2019EROI - o verdadeiro valor da energia
Ao discutir projetos de energia verde, os desenvolvedores, como argumento, apontam o baixo custo de 1 kWh, que em alguns casos é ainda menor que o preço de um quilowatt-hora gerado por uma usina a carvão. Se é assim, por que a participação do carvão na geração global de eletricidade ainda é de
40% e ele não recebe menos gás fóssil nos calcanhares?
É mais correto avaliar e comparar o custo da eletricidade recebida de várias maneiras, usando o indicador EROI (energia retornada pela energia investida) - a proporção da energia recebida da fonte e a quantidade de energia gasta em sua geração. Usando o EROI, você pode avaliar com mais precisão as perspectivas de uma fonte de energia, em contraste com uma eficiência puramente teórica ou com o aumento de preços de país para país 1 kWh. Por exemplo, EROI 20: 1 para um determinado tipo de combustível significa que para cada kWh gasto, 20 kWh podem ser gerados.
Gráfico EROI para vários tipos de energia nos EUA. Fonte: Mrfebruar / Wikipedia
O EROI para cada tipo de saída pode variar bastante ao longo do tempo. Depende das tecnologias de produção e processamento, reservas comprovadas e a complexidade da produção de combustível, preços de equipamentos e a própria fonte de energia. No início do século 20, enquanto o petróleo era facilmente acessível, o EROI de sua produção era fantástico de 1200: 1, e agora se equilibra no nível de 5: 1 e continua a cair lentamente. A proporção de carvão subiu para 75: 1 e caiu para 30: 1, mas, surpreendentemente, os
cientistas prevêem o pico do EROI do carvão em meados do século XXI, quando a proporção pode exceder 100: 1.
Teoricamente, o EROI do combustível deve estar acima de 1, para que seu uso seja apropriado. De fato, com uma proporção abaixo de 4: 1, a fonte de energia precisa ser subsidiada; caso contrário, seu uso não será lucrativo e muito caro. O EROI logo acima da unidade é permitido apenas para empresas de mineração, cuja essência é apenas extrair o recurso e vendê-lo mais tarde - as empresas de petróleo ficam confortáveis com uma proporção de 1,1: 1.
Energia tradicional EROI
O gráfico EROI acima para o setor de energia dos EUA em 2010 é muito eloquente e geralmente verdadeiro para outros países. As usinas hidrelétricas cujo EROI é próximo de 100: 1 mantêm uma Olympus de eficiência inatingível. A construção de uma grande estação hidrelétrica é um empreendimento muito caro. O complexo chinês das Três Gargantas custou US $ 25,5 bilhões ao orçamento da China, dos quais a própria estação custou apenas US $ 9 bilhões. Mas, graças ao maior EROI e capacidade instalada de 22,5 GW, a Three Gorges se pagou um ano após o comissionamento oficial ou quatro após o lançamento da primeira turbina.
Conheça a usina mais poderosa do mundo - a usina hidrelétrica Three Gorges, no rio Yangtze. Capacidade instalada de 22,5 GW! Fonte: Le Grand Portage / Wikipedia
O carvão, que agora parece um tipo de combustível terrivelmente arcaico e incrivelmente sujo, mesmo na Europa não perderá terreno apenas por causa do alto EROI de cerca de 30: 1 (muito mais alto nos EUA). Surpreendentemente, o recordista europeu de consumo de carvão é ... a Alemanha. 61% da antracite adquirida e 93% do carvão marrom na Europa destinam-se especificamente à geração de eletricidade. Além disso, foi na Alemanha no ano passado que o volume de produção "verde" excedeu a produção de fontes fósseis. No final de 2019, a Comissão sobre o abandono da geração de carvão concluiu seu trabalho na Alemanha, apresentando ao governo planos e recomendações para o término da operação de usinas a carvão até 2038. Agora, existem 84 estações de carvão no país que são forçadas a amenizar o abandono da geração atômica - até 2022 a Alemanha fechará todas as suas usinas nucleares, embora na década de 2000 a energia nuclear representasse um quarto da geração do país.
Os mapas de operação das usinas a carvão na Alemanha (marcados em preto sobre antracite, marrom - em carvão marrom) - representam um quarto da produção total no país. Portanto, as autoridades terão que tentar compensar o desaparecimento de 48,8 GW de geração. Fonte: CarbonBrief.org
Se o carvão é um combustível muito sujo, o gás natural é muito mais ecológico e é considerado o combustível fóssil mais promissor para usinas de energia do futuro, e seu EROI nos países importadores é 20-30: 1 e na Rússia produtora de gás - não inferior a 75: 1, o que torna o gás atraente e demandado. Em maior medida do que em qualquer outro lugar - na Alemanha, onde a rejeição de carvão e usinas nucleares precisa urgentemente ser compensada por algo e onde fontes de energia renovável por si só não são maneiras de fazer isso.
EROI verde
Agora vamos para a energia "verde" da EROI - é aí que, por enquanto, tudo não é muito divertido. O problema das energias renováveis é o seu vínculo rígido com a região. As estações solares funcionam melhor perto do equador, vento - na costa, geotérmica - em áreas de atividade vulcânica. Ao mesmo tempo, a produção em painéis solares cessa à noite e diminui significativamente no inverno, os moinhos de vento são desligados durante o período de migração de aves e, embora as estações geotérmicas sejam eficazes, sua energia é extremamente pequena (dezenas, no melhor caso, centenas de MW).
Em teoria, a energia eólica pode ser muito barata e baixa em termos de desenvolvimento, mas até agora um dos melhores complexos marinhos alemães (offshore) com uma capacidade instalada de 200 MW fornece um EROI de 16: 1. E embora o vento represente mais de 21% da produção alemã, a indústria está estagnada - o ritmo de construção de novos moinhos de vento para o ano caiu 80%, e a capacidade das estações em construção é 26 vezes menor que o crescimento anual teórico, considerado necessário para a substituição estável de combustíveis fósseis pela energia eólica. A rigidez das leis e a falta de vontade dos cidadãos em ter moinhos de vento perto de suas casas levaram o mercado alemão de energia eólica a um certo limite, o que será muito difícil de atravessar - toda esperança de modernização de geradores para aumentar sua eficiência. A propósito, isso pode reduzir ainda mais o EROI.
Os investimentos globais em energia solar e eólica permaneceram praticamente inalterados na última década. Fonte: Agência Internacional de Energia Renovável (IRENA), Escola de Frankfurt-UNEP Center / BNEF
Se a energia eólica como um todo não é ruim, embora tenha suas próprias nuances e limites, então com a energia solar tudo é completamente sombrio. Já escrevemos sobre as razões pelas quais o Sol não se tornou uma fonte universal de eletricidade infinita, embora painéis solares eficientes existam há mais de meio século. Devido à baixa eficiência dos painéis de filme fino baratos (6-8%) e à necessidade de construir estações de uma área muito grande, bem como devido à hora do dia e da estação, o EROI da energia solar na Europa está em um nível absolutamente desanimador: 1,6: 1. O leitor Habr fez cálculos muito interessantes para uma estação teórica no ensolarado norte do Arizona, um dos melhores locais para energia solar, de acordo com os resultados dos quais obteve um EROI "esférico no vácuo" 3,8: 1.
As usinas de célula de combustível de hidrogênio totalmente autônoma da Toshiba H2One já estão em operação. Eles recebem energia para eletrólise do sol ou vento
Infelizmente, o hidrogênio também não está indo bem. Como transportador de energia portátil absolutamente ecológico, o hidrogênio é indispensável, mas é necessário gastar muita energia para sua produção, devido à qual o EROI das células de combustível é inferior a 2: 1. Até agora, a única maneira econômica de produzir hidrogênio para células de combustível é usar a energia do sol ou do vento. Já falamos sobre como a Toshiba resolveu graciosamente esse problema com sua planta de célula a combustível móvel
Toshiba H2One , que por sua vez gera hidrogênio por eletrólise, recebendo energia de painéis solares e baterias.
A necessidade de armazenamento de energia
Dificilmente se pode encontrar uma fonte igualmente instável de geração de energia, como vento e luz solar. Ao mesmo tempo, sua geração não depende do volume de consumo na rede - à noite, enquanto a cidade dorme, o gerador eólico pode girar desesperadamente, gerando a máxima potência possível simplesmente porque o vento soprava e durante o dia - no pico do consumo - haverá calma. Para não perder o excesso de produção e compensar sua interrupção por motivos naturais, a energia deve ser armazenada. Para usinas de combustível fóssil, isso não era um problema antes. A única maneira adequada e amplamente disponível de armazenar eletricidade é com as baterias.
Não levamos em consideração as estações de armazenamento hidráulico devido ao seu alto preço e exatidão ao terreno. Este é um diagrama de uma pequena usina hidrelétrica bombeando água para uma piscina acumulada à noite e passando-a por geradores durante o dia. Para dizer o mínimo, não é a solução mais fácil e conveniente. Fonte: Doador / Wikipedia
Embora não exista uma solução universal para o acúmulo de grandes quantidades de eletricidade nas baterias. Em estações pequenas, como moinhos de vento, você pode conviver com uma variedade de baterias de íon de lítio (fosfato de ferro e lítio). Sua intensidade de energia é duas vezes menor que a das baterias de lítio-cobalto (120 W · h / kg), mas o tempo de vida útil é de 2000 ciclos de carga-descarga.
Outra opção razoável é usar baterias usadas de veículos elétricos. Geralmente, uma bateria que perdeu 20% de sua capacidade precisa ser substituída; caso contrário, a milhagem do veículo com uma única carga é visivelmente reduzida. Para não lidar com o descarte dispendioso de uma bateria que ainda está funcionando, ela pode ser adaptada para armazenar energia de fontes verdes. Foi o que aconteceu no estádio Johan Cruyff Arena (54.990-68.000 espectadores) na Holanda, Amsterdã, que, após a perestroika em 2016-2018, tornou-se completamente autônomo em termos de energia. Existem 4.200 painéis solares instalados no teto, que armazenam energia em 280 baterias Nissan Leaf usadas. No entanto, o estádio não recusou completamente a energia da rede da cidade - as baterias ajudam a suavizar a carga durante os eventos noturnos, quando é necessária uma iluminação forte. Apenas com as baterias, o estádio não seria capaz de funcionar todas as noites.
No telhado dos painéis solares Johan Cruyff ArenA (anteriormente Amsterdam ArenA) são claramente visíveis - o estádio fornece eletricidade (se você tiver sorte com o clima) o máximo que puder. Fonte: Cornwall NISSAN / YouTube
O acúmulo de eletricidade de fontes renováveis de energia nas baterias para suavizar os picos de consumo e compensar a falta de geração - parece bastante razoável. Mas o problema de reduzir o custo do armazenamento de energia ainda não foi resolvido. Devido ao custo das baterias, o preço de kWh de fontes “verdes” aumenta de 3 a 4 vezes, chegando a US $ 0,45 (relatório Lazard, p. 12). Isso só pode ser resolvido com a criação de novos tipos de baterias: espaçosas, duráveis e baratas.
Escrevemos sobre desenvolvimentos promissores nessa área
anteriormente .
Prosumerismo como forma de economizar
Como resolver o problema do alto custo de kWh da energia renovável acumulada nas baterias? Você pode vender o excedente não reclamado resultante. Graças ao acúmulo de energia, um novo fenômeno apareceu - prosumerismo. Antonymy para consumismo (consumo), que significa a venda de um serviço ao seu provedor. Se for mais simples, estamos falando do consumidor que vende a energia acumulada em baterias de volta à rede para aqueles que precisam. Suponha que você seja uma família particular ou uma pequena empresa com suas próprias fontes de geração de eletricidade. Parte é consumida, parte é armazenada em módulos de bateria. Se houver excesso de produção e não houver lugar para colocar excesso de energia no sentido literal, você poderá vendê-lo para a rede, como se fosse uma pequena usina. Pelo contrário, não é pequeno, mas virtual - escrevemos sobre
usinas virtuais e a participação da Toshiba na formação desse fenômeno positivo.
A Toshiba já oferece uma solução para gerenciar a bateria de armazenamento: o sistema analisa constantemente o nível de consumo ou saída, equilibrando a carga na bateria e conectando-a nos horários de pico muito mais rapidamente do que pode ser feito manualmente. E no futuro, o sistema Toshiba receberá a função de prosumerismo - a venda automática de energia à rede. Fonte: Toshiba
A implementação mais notável do projeto da usina virtual é a Tesla Powerwall - uma bateria doméstica alimentada por um painel solar com capacidade de 6,4 a 13,5 kWh. Os consumidores podem não apenas estocar eletricidade barata da rede ou "gratuita" da Sun, mas também vendê-la de volta à rede usando trocas on-line. O Powerwall foi vendido em todo o mundo com uma capacidade total de 300 MWh.
Na Rússia, o “Plano de medidas para estimular o desenvolvimento de instalações de geração baseadas em fontes renováveis de energia com capacidade instalada de até 15 kW” foi aprovado com o mesmo significado que Tesla Powerwall, mas o processo de prosumismo ainda não foi previsto por lei. A venda de eletricidade excedente ajudará a reduzir levemente o custo do consumo de energia verde. Mas, novamente, tudo depende do custo das baterias - no estágio atual de desenvolvimento da tecnologia, o período de retorno está se aproximando de 10 anos.
O futuro é lindo, mas longe
Na verdade, não queremos semear ceticismo em relação a fontes de energia renováveis e a transição para o setor de energia "verde" como um todo. O petróleo é finito, o custo de sua produção cresce constantemente, mas com um gás e carvão a situação ecológica não pode ser corrigida. Até que a humanidade tenha subjugado a fusão termonuclear controlada, será necessário realizar os desenvolvimentos mais ativos no campo da energia verde. Este é um caminho muito espinhoso, que consiste em resolver problemas complexos: econômico, tecnológico e até social.
O melhor que pode ser feito nessa situação é continuar a pesquisa a todo custo, tentando tornar a energia solar, eólica e geotérmica mais eficiente e ainda mais acessível. O processo está em andamento, o progresso não está em um impasse e o mundo está lenta mas seguramente abandonando os combustíveis fósseis até que seu uso seja muito caro e perigoso. E temos muito orgulho de que a Toshiba esteja ativamente envolvida nesses assuntos, desenvolvendo efetivamente todos os tipos de energia alternativa.