Em sua tentativa de tornar as Olimpíadas de Inverno “verdes e limpas”, a China ativou a maior usina hidrelétrica reversível do mundo. A Usina Elétrica de Armazenamento Bombeado Fengning de US$ 3 bilhões (18,96 bilhões de yuans) e 3,6 GW na província de Hebei fornecerá 600 MW de eletricidade para as cidades-sede de Pequim e Zhangjiakou - evitando o equivalente à queima de 480.000 toneladas de carvão por ano e reduzindo as emissões de CO2 em 1,2 milhão toneladas.
A Chinese State Grid Corporation abriu outras cinco usinas hidrelétricas bombeadas no ano passado e planeja aumentar sua capacidade de armazenamento bombeado dos atuais 26,3 GW para 100 GW até 2030. Em todo o mundo, os operadores da rede estão procurando desesperadamente por armazenamento de energia de longa duração soluções para alavancar a energia renovável como energia de carga básica e abordar a natureza variável dos recursos limpos.
“[A hidrelétrica bombeada] desempenhará um papel significativo no apoio à implantação de fontes de energia variáveis, pois outras soluções de armazenamento sozinhas não podem fornecer armazenamento adequado e flexibilidade de rede suficiente”, diz François Le Scornet, consultor sênior da Carbonexit Consulting. “Espera-se que a demanda por armazenamento bombeado cresça bastante significativamente nas próximas décadas.”
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Quando o sol não brilha e o vento não sopra
O armazenamento de energia hidrelétrica bombeada (PHES) está em uso há mais de um século. Trata-se de bombear água de um reservatório inferior para um reservatório superior quando há capacidade de geração de energia disponível (em dias de vento ou sol, por exemplo) e deixá-la descer para o reservatório inferior por meio de uma turbina para gerar eletricidade quando houver um déficit – como à noite.
As redes de energia precisam ser capazes de corresponder o fornecimento de eletricidade à demanda em tempo real, ou sofrerão escassez ou sobrecarga. Existem várias maneiras pelas quais os operadores de rede podem fazer isso, incluindo compartilhar energia em grandes regiões por meio de linhas de transmissão e localmente por meio de redes de distribuição, controlar a demanda (como fornecer incentivos financeiros para que as pessoas carreguem seus veículos elétricos fora dos horários de pico) e armazenar energia . Para este último, baterias e PHES tornaram-se as opções de escolha.
“Juntos, as baterias e o PHES podem substituir completamente os serviços auxiliares [que ajudam os operadores da rede a manter um sistema elétrico confiável] até então fornecidos por geradores fósseis e nucleares”, diz Andrew Blakers, professor de engenharia da Australian National University.
À medida que o mundo procura se afastar dos combustíveis fósseis, cerca de dois terços da capacidade de geração de eletricidade adicionada a cada ano vem agora de energia eólica e solar. No entanto, devido à sua variabilidade inata, essas energias renováveis requerem armazenamento de energia. Para redes com pequenas quantidades de energia eólica e solar, os geradores tradicionais de carvão, gás e hidrelétricas podem efetivamente equilibrar a oferta e a demanda, mas à medida que essas quantidades aumentam – como agora estão em todo o mundo – cresce a necessidade de capacidade de armazenamento.
PHES atualmente representa 94% da capacidade instalada global de armazenamento de energia. De acordo com a International Hydropower Association, as usinas PHES hoje podem armazenar cerca de 9.000 gigawatts-hora (GWh) de energia. Países como o Japão instalaram grandes quantidades de capacidade PHES, permitindo que sua frota de combustível nuclear e fóssil mantivesse uma produção quase constante.
As baterias constituem a maior parte do restante do mercado de armazenamento de eletricidade. Eles estão caindo rapidamente de preço e podem competir com o PHES para armazenamento de curto prazo (minutos a horas), mas o PHES é muito mais barato para armazenamento de energia de longa duração (durante a noite ou vários dias) e tem uma vida útil mais longa, de 50 a 100 anos .
"A hidrelétrica bombeada é de longe o armazenamento noturno mais barato", diz Blakers. "É importante ressaltar que o fluido de trabalho é a água, e não os produtos químicos da bateria."
A maioria das usinas PHES foi construída entre os anos 1960 e 1980 e, em 2005, havia mais de 200 em operação globalmente - muitas vezes desenvolvidas em conjunto com hidrelétricas tradicionais baseadas em rios. Eles saíram de moda devido a preocupações com seu impacto ambiental, mas experimentaram uma espécie de renascimento à medida que os países buscam soluções de armazenamento para seus portfólios de energias renováveis em rápida expansão.
Os principais projetos de PHES do mundo
Existem vários grandes projetos de PHES em desenvolvimento em todo o mundo atualmente. No Uzbequistão, a produtora estatal de energia hidrelétrica e desenvolvedora de projetos JSC Uzbekhydroenergo está em negociações com a concessionária estatal francesa EDF sobre a construção de um projeto PHES de 200MW na região de Tashkent.
Nos Emirados Árabes Unidos, a Dubai Electricity and Water Authority está construindo uma usina de 250 MW nas montanhas Hajar. Será a primeira planta PHES no Golfo Pérsico e deverá entrar em operação no início de 2024.
Nos EUA, a Eagle Crest Energy está desenvolvendo uma usina de 1.300 MW com 18 horas de armazenamento em uma antiga mina de ferro na Califórnia. O projeto está programado para entrar em operação em 2027, mas atualmente está em suspenso depois que grupos locais levantaram preocupações sobre seu potencial impacto no meio ambiente local e nas águas subterrâneas.
Na Escócia, o desenvolvedor ILI Group anunciou em junho de 2021 que as propostas para a usina Red John PHES de £ 550 milhões (US$ 774 milhões) e 450 MW nas margens do Lago Ness foram aprovadas pelo governo.
A primeira usina PHES da Austrália em quase 40 anos deve ser concluída até 2024. A instalação Kidston Stage 2 de 250 MW em Queensland custará aproximadamente US$ 600 milhões. Há também dois outros projetos PHES de grande escala em desenvolvimento em New South Wales; o projeto 2GW Snowy 2.0 e o projeto Oven Mountain de 600MW.
O projeto de armazenamento bombeado Pinnapuram do Greenko Group em Andra Pradesh, na Índia, deverá ser comissionado em 2023. Ele combinará 2 GW de energia solar fotovoltaica com 400 MW de energia eólica e 1,2 GW de PHES e, tendo recebido uma tarifa de US$ 0,054 por quilowatt-hora, é considerada a proposta de projeto solar mais armazenamento de menor custo do mundo.
Sem bala de prata
No entanto, nem todo mundo acredita na ideia – e o PHES tem uma série de desvantagens que impedem seu status de armazenamento de bala de prata. De acordo com uma recente revisão da literatura, as principais barreiras ao PHES são a falta de infraestrutura de apoio, como estradas e linhas de transmissão; topografias favoráveis limitadas; altos custos de capital, operação e manutenção; e longos períodos de retorno.
“A capacidade hidrelétrica de hoje significa que [PHES] pode desempenhar apenas um papel menor”, diz Arij Van Berkel, vice-presidente e diretor do grupo de pesquisa de energia da Lux Research, uma empresa de pesquisa e consultoria com sede nos EUA. “Expandir essa capacidade é incrivelmente prejudicial ao meio ambiente em comparação com outras opções de armazenamento de energia. Além disso, existem muitos outros fatores limitantes, como o uso de água na agricultura”.
Van Berkel acredita que o PHES existente pode desempenhar um papel modesto, mas significativo, na transição energética, fornecendo armazenamento de longa duração para cerca de 8% da produção global de eletricidade. Expandir será difícil, diz ele.
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A energia hidrelétrica geralmente requer inundações e a construção de extensa infraestrutura de conexão com impactos indiretos para o meio ambiente e as comunidades locais. Um estudo recente descobriu que 631 barragens hidrelétricas construídas desde 2001 foram associadas à redução do crescimento econômico local, população e vegetação em áreas dentro de 50 km dos locais das barragens, particularmente no Sul Global.
O próprio aquecimento global reduz o potencial de PHES através do aumento da evaporação dos reservatórios e maiores flutuações em seus níveis. Durante o verão extremamente seco de 2019 na Noruega, os reservatórios caíram abaixo dos níveis críticos, colocando em risco a segurança do fornecimento de eletricidade do país.
A natureza da energia hidrelétrica também significa que os projetos são grandes e levam muito tempo para serem desenvolvidos e construídos. “À medida que a transição energética acelera, outras opções de armazenamento que são mais fáceis de escalar em etapas pequenas e rápidas serão mais convenientes”, diz Van Berkel.
Soluções 'fora do rio'
As barragens são justamente controversas, e a maioria dos sistemas PHES existentes são de fato baseados em rios - mas não precisam ser. “O armazenamento hidrelétrico bombeado é frequentemente negligenciado por causa da preocupação com o impacto da energia hidrelétrica nos rios, mas o que muitas pessoas não percebem é que a maioria dos melhores locais de armazenamento hidrelétrico não está nos rios”, diz Blakers, da Australian National University.
A criação de sistemas de PHES de 'circuito fechado' ou 'fora do rio' que usam pares de lagos ou reservatórios existentes em vez de rios contornaria a necessidade de novas barragens, com pouca demanda de terra adicional, exceto para linhas de transmissão. Um par de reservatórios de 250 acres e 20 metros de profundidade com uma diferença de altitude de 600 metros pode armazenar 24 GWh de energia, o que significa que o sistema pode fornecer 1 GW de energia por 24 horas, o suficiente para uma cidade de um milhão de pessoas.
Além disso, supressores de evaporação – pequenos objetos flutuando na água para reter o ar úmido – podem ajudar a reduzir a evaporação da água. Em média, a água necessária para um sistema PHES fora do rio equivale a cerca de três litros por pessoa por dia, o equivalente a 20 segundos de um banho matinal ou um décimo da água evaporada por pessoa por dia nos sistemas de resfriamento de fósseis dos EUA. centrais de combustível.
A energia armazenada em um sistema PHES fora do rio é geralmente menor do que em uma barragem hidrelétrica fluvial, mas muito mais do que uma bateria em escala de utilidade. A construção de sistemas PHES fora do rio também pode ser muito mais rápida do que outros métodos de armazenamento: cronogramas de 2 a 3 anos são viáveis para armazenamentos de 10 GWh. Embora uma bateria individual possa ser concluída em alguns meses, ela normalmente é duas ordens de grandeza menor do que um sistema PHES fora do rio.
PHES fora do rio também possui um número muito maior de locais potenciais do que sua contraparte no rio. Em uma pesquisa global de PHES greenfield fora do rio realizada em 2019, a Australian National University encontrou 616.000 locais apropriados em todo o mundo. Cada local compreendia um par de reservatórios espaçados com um potencial de armazenamento de energia definido de 2, 5, 15, 50 ou 150 GWh.
“O mundo tem 100 vezes mais potencial de armazenamento hidrelétrico bombeado fora do rio do que o necessário para suportar um sistema de energia 100% renovável baseado em energia solar e eólica”, diz Blakers.
Para aquelas áreas sem geografia para hidrelétricas bombeadas fora do rio, existem soluções. Caso não haja água, uma empresa chamada Energy Cache adaptou o sistema PHES para usar cascalho. Um sistema de baldes em uma linha pega o cascalho no sopé de uma colina e o move para o topo; quando o processo é revertido, o cascalho desce a colina e alimenta um gerador para produzir energia. Se não houver colina, uma empresa chamada Quidnet Energy – apoiada pela Breakthrough Energy Ventures de Bill Gates – é pioneira em um sistema que usa energia renovável para bombear água para poços subterrâneos, criando enormes quantidades de pressão. Quando essa energia é necessária, a pressão é liberada, empurrando a água para cima do poço e através de uma turbina, gerando eletricidade.
O papel da hidrelétrica bombeada no net zero
A descarbonização requer eletrificação. De acordo com Blakers et al, a demanda por eletricidade triplicará à medida que transporte, aquecimento e fabricação industrial forem elétricos. Alguns desses consumidores de energia têm capacidade de armazenamento embutida: baterias em veículos elétricos, água quente em tanques de armazenamento e hidrogênio e carbono em plantas de síntese química. No entanto, os requisitos de armazenamento de redes de energia eólica e solar provavelmente exigirão uma combinação de PHES, baterias em escala de utilidade e gerenciamento de demanda no topo.
De acordo com Blakers, o consumo de eletricidade per capita nas economias avançadas é de cerca de 5 a 10 MWh por pessoa anualmente. Eliminar os combustíveis fósseis da economia implica triplicar a produção de eletricidade, o que aumentaria para 20MWh por pessoa anualmente. Espera-se que a população global atinja o pico de dez bilhões em meados do século, elevando os requisitos globais de produção de eletricidade para aproximadamente 200.000 TWh anualmente.
A maioria dos países pretende atender a essa demanda crescente, ampliando massivamente os recursos eólicos e solares. Assumindo que, até 2050, a eletricidade será produzida por uma combinação de energia solar (60%), eólica (30%) e outros métodos (10%), Blakers prevê a necessidade de 81TW de energia solar e 17TW de energia eólica. Nesse cenário, um dia de armazenamento equivaleria a cerca de 500TWh e exigiria 20TW. Isso é muito mais do que as usinas PHES de 9.000 GWh podem armazenar hoje, mas muito menor do que os 23.000 TWh de capacidade potencial de PHES fora do rio que Blakers acredita existir em todo o mundo.
