Fontes Renováveis: Energia com que se pode contar

Intensificação das energias renováveis

União de Cientistas Engajados Abril de 2013

A energia renovável está fornecendo eletricidade confiável hoje nos Estados Unidos e no mundo. De 2007 a 2012, a eletricidade proveniente de fontes renováveis, como energia eólica e solar, praticamente quadruplicou no país. Esse crescimento faz parte da transição das usinas de energia suja de carvão — que são nocivas à saúde pública e desestabilizam o clima — para fontes mais limpas e mais sustentáveis de eletricidade. Fazendo uso das tecnologias existentes e de decisões de políticas inteligentes, os Estados Unidos podem continuar essa transformação para a energia limpa, ao mesmo tempo que mantêm um sistema de eletricidade confiável e acessível.

A transição para um sistema que dependa fortemente de instalações eólicas e solares — que fornecem quantidades variáveis de energia — coloca desafios para a gestão da rede de eletricidade. Afinal, o vento nem sempre sopra e o sol nem sempre brilha, e os operadores de rede precisam fazer corresponder a demanda por eletricidade com a oferta a todo momento do dia (veja Boxe 1, p. 2). No entanto, atender à demanda por eletricidade em face da variabilidade e da incerteza não é um conceito novo para os operadores de rede. Eles já fazem ajustes para a demanda em constante mudança, interrupções planejadas para manutenção de usinas de energia e interrupções decorrentes de mau tempo, falhas de equipamentos e outros eventos inesperados. Adicionar fontes de energia variáveis ao sistema pode aumentar a complexidade do desafio, mas não representa problemas técnicos insuperáveis ou custos significativos.

Sabemos disso porque a rede dos EUA e redes elétricas do mundo todo já integraram com segurança fontes de energia variáveis, como energia a eólica e a solar. Temos as ferramentas para intensificar de forma significativa o uso da energia renovável e manter as luzes acesas. Com criatividade, inovação e políticas inteligentes, podemos fazer a transição total para um sistema de eletricidade limpa e renovável.

Crescimento recente da energia solar e eólica

Uma série de empresas de serviços públicos, estados e países já têm porcentagens muito mais altas de energia renovável do que muitas pessoas consideravam possível há apenas alguns anos (Figura 1). A energia eólica está crescendo rapidamente nos Estados Unidos — mais do que triplicou de 2007 a 2012. A nação quebrou um recorde em 2012, instalando mais de 13 mil megawatts (MW) de capacidade de energia eólica e investindo US$ 25 bilhões na economia dos EUA (AWEA 2013a). Isso tornou a energia eólica a principal fonte de novas capacidades nos Estados Unidos, representando 42% do total e superando novas capacidades de gás natural.

Figura 1. A energia eólica fornece uma parcela significativa da eletricidade gerada em muitos estados e países. A energia eólica forneceu mais de 10% da eletricidade produzida em nove estados em 2012, com Iowa e Dakota do Sul liderando com 24%. A Dinamarca é a líder global, com a energia eólica fornecida.

Embora a energia eólica tenha respondido por apenas 3,5% da eletricidade do país em 2012, vários estados e regiões alcançaram níveis muito mais altos. Por exemplo:

Em 2012, a energia eólica forneceu 24% da eletricidade gerada em Iowa e na Dakota do Sul e mais de 10% em outros sete estados (EIA 2013).

Em 23 de outubro de 2012, o Noroeste do Pacífico registrou um novo recorde quando a eletricidade proveniente da energia eólica ultrapassou a das hidrelétricas pela primeira vez (Sickinger 2012).

Em 23 de novembro de 2012, o Meio-Oeste bateu um novo recorde quando mais de 10 mil MW de energia eólica forneceram 25% da eletricidade da região (Reuters 2012).

Em 5 de dezembro de 2012, o Pool de Energia do Sudoeste — que inclui Kansas, Oklahoma e a região Texas Panhandle — estabeleceu novo recorde quando a energia eólica forneceu mais de 30% da eletricidade da região (AWEA 2012b).

Em 29 de janeiro de 2013, o principal operador de rede do Texas estabeleceu um recorde quando a energia eólica produziu 32% do total da oferta— suficiente para abastecer 4,3 milhões de lares médios (AWEA 2013b; ERCOT 2013). O Texas lidera a capacidade de energia eólica instalada do país, com mais de 12.200 MW no fim de 2012 (AWEA 2013a).

A energia solar também está crescendo rapidamente e fornecendo eletricidade confiável para os consumidores americanos. A capacidade de energia solar fotovoltaica quintuplicou de 2009 a 2012 (SEIA 2013). A Califórnia lidera a nação, com 35% da capacidade de energia solar fotovoltaica dos EUA em 2012. Nova Jersey, Arizona, Havaí, Novo México e Nova York também viram investimentos significativos em energia solar nos últimos anos (Sherwood 2012).

Algumas das maiores empresas de serviços públicos do país estão contando com níveis significativos de energia renovável. Por exemplo, as energias renováveis foram responsáveis por 21% da eletricidade que a Southern California Edison (SCE) vendeu para seus 14 milhões de clientes em 2011, sendo 7,5% proveniente de energia eólica e solar (Karlstad 2012). A SCE foi a segunda maior fornecedora de energia solar no varejo em 2011 e a terceira maior fornecedora de energia eólica (AWEA 2012a; Campbell e Taylor 2012). A SCE projeta que a energia eólica e a solar serão responsáveis por 18% de suas vendas de eletricidade no varejo até 2017, à medida que a empresa trabalha para atingir a norma de eletricidade renovável da Califórnia de 33% até 2020 (Karlstad 2012).

A Xcel Energy, empresa com sede em Mineápolis que atende clientes de oito estados, foi a maior fornecedora de energia eólica no varejo nos Estados Unidos em 2011 e a quinta maior fornecedora de energia solar (AWEA 2012a; SEPA 2012). Em 15 de abril de 2012 — em uma noite em que os ventos foram fortes e a demanda por eletricidade foi baixa — a Xcel estabeleceu novo recorde americano, contando com o vento para produzir mais de 57% da energia de seus clientes no Colorado (Laughlin 2012). A Xcel está buscando várias abordagens para integrar altos níveis de energia eólica a seu sistema de forma eficiente e acessível financeiramente ao mesmo tempo que mantém a confiabilidade (veja Boxe 2).

A energia solar fotovoltaica — instalada em residências e empresas e em espaços abertos — é a tecnologia de energia de crescimento mais rápido no mundo, tendo quintuplicado de 2009 a 2012. Califórnia, Nova Jersey e Arizona lideram a capacidade de energia solar fotovoltaica da nação. Mais de 119 mil.

Em âmbito global, a energia renovável respondeu por quase metade da capacidade de geração adicionada em 2011, com as energias eólica e solar fotovoltaica respondendo por 70% desse volume (REN21 2012). Na União Europeia, as fontes renováveis representaram quase 20% de toda a eletricidade consumida em 2010 e mais de dois terços da capacidade instalada total em 2012 (EWEA 2013; REN21 2012). A energia eólica forneceu 30% da eletricidade na Dinamarca em 2012 (EWEA 2013). Na Alemanha, a energia renovável respondeu por cerca de 25% da eletricidade utilizada em 2012, com mais da metade proveniente da energia eólica e da energia solar fotovoltaica (Figura 2) (Böhme 2012).

Figura 2. A energia solar está fornecendo uma parcela significativa e cada vez maior da eletricidade em alguns estados e países.

A Alemanha é a líder global em energia solar fotovoltaica, com potencial para fornecer mais da metade da eletricidade do país em dias quentes de verão, quando a demanda é alta e a energia é mais valiosa. Na Califórnia, que foi líder nos Estados Unidos em capacidade instalada em 2012, a energia solar.

Em 8 de maio de 2012, a energia eólica e a solar atingiram um recorde de 60% do consumo total de eletricidade na Alemanha (NREL 2012). Em 19 de abril de 2012, a energia eólica registrou novo recorde na Espanha, gerando 61% da eletricidade do país (Casey 2012).

Substituição das usinas de energia convencionais pelas de energia renovável pode aumentar a confiabilidade

Embora a integração de grandes volumes de energia renovável variável à rede represente desafios aos operadores de rede, as usinas de energia convencionais apresentam seus próprios desafios de confiabilidade. A possibilidade de uma interrupção repentina em grandes usinas e instalações de transmissão nucleares e de carvão significa que os operadores de rede precisam ter sempre reservas de geração e transmissão à mão para substituí-las imediatamente. Devido ao seu tamanho, essas instalações também tornam a rede menos flexível e mais vulnerável a apagões quando ficam desligadas.

Eventos climáticos severos também podem afetar a confiabilidade das usinas de energia. Por exemplo, temperaturas congelantes durante uma onda de frio no Texas em fevereiro de 2011 desativaram 152 usinas de energia — a maioria movida a carvão e gás natural —resultando em sucessivos apagões em todo o estado (AWEA 2011). Instalações locais de energia eólica continuaram operando e forneceram eletricidade suficiente para centenas de milhares de domicílios, reduzindo a gravidade dos apagões. Segundo Trip Doggett, CEO do Conselho de Confiabilidade Elétrica do Texas, “fazemos um agradecimento especial à comunidade de energia eólica porque ela de fato contribuiu de maneira significativa nesse período. Os ventos estavam fortes, e tivemos muitas vezes 3.500 megawatts de geração eólica durante o pico daquela manhã” (Galbraith 2011).

Durante períodos de temperaturas extremamente quentes, especialmente em períodos de seca, os lagos e rios podem ficar muito quentes ou não ter água suficiente para resfriar grandes usinas térmicas. Por exemplo, em 2007 e novamente em 2010 e 2011, a temperatura do Rio Tennessee ficou acima de 32°C.

A temperatura da água descartada pela usina nuclear Browns Ferry, da Autoridade do Vale do Tennessee, ultrapassaria os limites permitidos; foi preciso então fazer reduções prolongadas da produção da usina (NRC 2011). Esses reveses forçaram a autoridade a adquirir eletricidade a preços altos e custou aos contribuintes mais de US$ 50 milhões de contas de energia elétrica mais elevadas em 2010 (Kenward 2011; Amons 2007; Associated Press 2007).

Os eventos climáticos extremos deverão se tornar mais frequentes e mais graves devido às mudanças climáticas, o que agravará ainda mais nossa dependência de fontes convencionais de geração. Isso significa que eventos como o furacão Sandy — que causou entre US$ 70 bilhões e US$ 80 bilhões de prejuízos e interrupções generalizadas no fornecimento de energia para 8 milhões de pessoas da Virgínia ao Maine — se tornarão mais comuns (Lee 2012; Webb 2012). No entanto, as instalações de energia renovável do Nordeste do país parecem ter resistido ao furacão muito melhor do que as instalações de energia fóssil e nuclear (Wood 2012).

O parque eólico Cedar Creek da Xcel Energy, perto de Grover, no Colorado, ajudou a empresa a gerar 57% de sua eletricidade a partir do vento em uma noite na primavera de 2012 — um recorde americano. Fonte: Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica 2011

Assim como diversificar os investimentos reforça a carteira financeira, acrescentar novas fontes de energia e tecnologias à rede de energia elétrica pode fortalecer sua carteira, melhorando sua confiabilidade no processo. Os recursos renováveis são menos vulneráveis a interrupções prolongadas no fornecimento de combustível causadas por mau tempo, problemas de transporte, preocupações de segurança, ameaças terroristas e embargos. E porque as tecnologias de energia renovável são mais modulares do que as usinas de energia convencionais, o impacto na rede normalmente é insignificante quando o mau tempo danifica instalações individuais. Por não dependerem de combustíveis sujeitos a picos de preço ou aumentos de preço a longo prazo, as energias renováveis também significam estabilidade de preço para os consumidores.

Embora seja urgentemente necessário fazer a transição para um sistema de energia mais limpo e de baixo carbono para reduzir o impacto e o custo das mudanças climáticas, essa transição poderá levar décadas devido à enorme dimensão da infraestrutura energética americana e à complexidade de planejamento, construção e operação das redes de energia elétrica. Talvez seja preciso contar com algumas usinas de energia existentes para garantir um fornecimento confiável de eletricidade em alguns lugares, pelo menos no curto prazo. No entanto, com o tempo, podemos substituir essas usinas por tecnologias de energia renovável mais eficientes em residências e empresas, usinas de gás natural, atualizações de transmissão, armazenamento de energia e outras abordagens mais limpas.

Muitas ferramentas estão disponíveis para intensificar a energia renovável e manter a confiabilidade

Várias novas abordagens para a operação das redes elétricas podem ajudar a integrar os recursos de energia renovável variável e ao mesmo tempo diminuir os custos, reduzir as emissões e manter a confiabilidade. Muitas dessas abordagens estão sendo avaliadas em âmbito estadual e regional. A Comissão Federal de Regulamentação de Energia (Ferc) e a Companhia Norte Americana de Confiabilidade Elétrica (Nerc) também estão alterando procedimentos operacionais e de planejamento em âmbito nacional para remover barreiras à integração das energias renováveis (Wiser e Bolinger 2011). A Ferc é um órgão federal independente que regulamenta a transmissão e as vendas interestaduais no atacado de eletricidade, gás natural e petróleo. A Nerc desenvolve e faz cumprir normas de confiabilidade elétrica, avalia se as diferentes regiões têm recursos suficientes para atender à demanda ao longo de um período de dez anos e monitora o sistema de energia no atacado.

Entre as novas abordagens sendo implementadas pela Ferc, pela Nerc e por operadores de rede regionais e empresas de serviços públicos estão:

Dispersão geográfica. Em um grande sistema de energia interconectado, não há vento em todos os lugares, embora normalmente haja vento em algum lugar. A quantidade de luz do sol também costuma variar em uma região. A integração de projetos eólicos e solares em áreas maiores ajuda a equilibrar um fornecimento irregular de energia de projetos individuais (Figura 3). A agregação de várias previsões de vento e dados operacionais de diversos projetos em uma área maior melhora a precisão das previsões. Em algumas regiões, a disponibilidade da energia eólica e da solar se complementa para atender à demanda por eletricidade.

O compartilhamento de reservas de energia para equilibrar a oferta e a demanda de eletricidade em áreas maiores também reduz grandemente o custo e a quantidade das reservas necessárias para manter as instalações eólicas e solares. A combinação de mais de 75 “áreas de equilíbrio” menores — regiões com autoridades designadas pela Ferc para monitorar, coordenar e controlar o sistema de eletricidade — no Leste do país em 7 áreas maiores faria com que fosse mais fácil e menos oneroso alcançar 30% de energia eólica, segundo um estudo (EnerNex 2010). O problema é ainda mais grave no Oeste, que tem muitas áreas de equilíbrio de rede muito pequenas que não coordenam as operações com seus vizinhos (Olsen e Lehr 2012).

Figura 3. Instalações de energia eólica nos Estados Unidos.

Os projetos eólicos distribuídos por diversas regiões do país (Oeste, Planícies, Meio-Oeste e Nordeste) ajudam a equilibrar a energia irregular proveniente de instalações individuais. A agregação de várias previsões de vento e dados operacionais de diversos projetos em uma área maior melhora a preci

A integração de instalações eólicas e de instalações solares de grande escala em áreas maiores demandará investimentos em mais capacidade de transmissão e mudanças nos procedimentos operacionais da rede, incluindo mais coordenação entre as áreas de equilíbrio. Em alguns estados e regiões, incluindo Meio-Oeste, Nova Inglaterra, Médio Atlântico, Nova York e Califórnia, a Ferc designou um operador independente do sistema para controlar todas as usinas de energia e linhas de transmissão. Nessas áreas, os operadores independentes do sistema podem adotar novos procedimentos operacionais e investir em nova capacidade de transmissão para facilitar a integração em áreas maiores. Em regiões onde as empresas de serviços públicos individualmente operam usinas com pouca coordenação, as empresas de serviços públicos e os estados vão precisar cooperar para integrar a energia eólica e solar à rede.

Melhor previsão. Todos os operadores de rede utilizam previsão para entender como o clima afetará a demanda por eletricidade. Com o crescimento da energia eólica e solar, algumas empresas maiores de serviços públicos e operadores de rede regionais estão utilizando observações climáticas, dados meteorológicos, modelos computadorizados e análise estatística para projetar a produção eólica e solar e reduzir a energia e as reservas de combustíveis fósseis, reduzindo os custos no processo (veja Boxe 2). O uso mais generalizado dessa abordagem poderá economizar de US$ 1 bilhão a US$ 4 bilhões anualmente, segundo estudo da Administração Nacional Oceânica e Atmosférica e do Departamento de Energia dos EUA (Haugen 2011).

Esse novo sistema de previsão nos permitirá aproveitar a energia eólica com muito mais eficácia, economizando milhões de dólares para os nossos clientes. Estamos muito satisfeitos por utilizar esse sistema como ferramenta essencial na construção de uma carteira diversificada. [Eric Pierce, Xcel Energy (NCAR 2011)]

Programação melhorada. Em grande parte do Oeste dos Estados Unidos, os operadores de instalações eólicas e solares precisam programar o fornecimento de energia à rede de hora em hora ou diariamente. Se a geração real não corresponder ao que foi prometido, eles costumam sofrer sanções financeiras significativas. Quando eles produzem muito mais energia do que o esperado, são forçados a frear a produção. Como o vento e a luz do sol podem flutuar ao longo de períodos de tempo relativamente curtos, permitir aos operadores programar o fornecimento de energia em uma base sub-horária pode tornar a rede mais eficiente, economizar dinheiro e reduzir as emissões. O aprimoramento da previsão do vento também pode melhorar significativamente a precisão dessa programação. A Ferc emitiu novas regras determinando que os operadores de rede ofereçam programação intra-horária como opção até 2014 e permitam que os operadores de instalações variáveis forneçam dados meteorológicos e operacionais para melhorar a previsão da rede (Wiser e Bolinger 2011). A implementação dessas regras melhorará a programação no Oeste e entre operadores independentes de sistema e seus vizinhos.

Pelo fato dessas reformas tornarem a rede mais eficiente, várias regiões começaram a implementar novas regras de programação. Por exemplo, a Administração de Energia de Bonneville (BPA) no Noroeste e o Operador Independente do Sistema da Califórnia lançaram um programa-piloto que permite a proprietários de instalações eólicas programar a eletricidade fornecida para a Califórnia a cada 30 minutos em vez de a cada hora. Essa medida deverá reduzir custos, bem como a dependência das hidrelétricas federais hoje utilizadas para equilibrar mudanças na produção da energia eólica ao longo de uma hora. A medida também diminuirá a necessidade de reduzir a energia eólica quando o sistema não tiver energia hidrelétrica suficiente para manter o equilíbrio (Business Wire 2011). Segundo o administrador da BPA, Steve Wright, “podemos continuar a modernizar a rede do Noroeste de novas maneiras que ajudarão a reduzir os custos da energia eólica, protegendo a confiabilidade”.

Todos os operadores independentes do sistema e as organizações regionais de transmissão dos Estados Unidos já programam o fornecimento de eletricidade em suas regiões a cada cinco minutos, exceto o Pool de Energia do Sudoeste, que terá essa abordagem até 2014. Em junho de 2011, o Operador Independente do Sistema do Meio-Oeste determinou que os operadores de instalações de energia renovável variável participem plenamente do mercado de energia em tempo real (cinco minutos) da região. A nova abordagem permite que a energia eólica concorra com outros geradores em condições mais iguais, reduz a necessidade de restringir as instalações de energia renovável, melhora a eficiência do sistema e diminui custos e emissões (Paulman 2011; Agência de Notícias PR 2011).

Tornando as usinas de energia mais flexíveis. Caminhar na direção de usinas de combustíveis fósseis mais flexíveis é uma maneira relativamente fácil de integrar fontes renováveis mais variáveis a uma rede elétrica. A maioria das usinas de gás natural pode fornecer essa flexibilidade, porque os operadores podem aumentar ou diminuir a produção muito rapidamente. Mesmo quando instalações de gás natural e de outros combustíveis fósseis fornecem reservas para equilíbrio de curto prazo, acrescentar energia eólica e solar ao sistema reduz as emissões de maneira significativa (Lew 2012; Milligan et al. 2009). Os operadores de usinas hidrelétricas também podem tornar um sistema mais flexível ajustando fluxos de água para corresponder às flutuações na demanda e na oferta.

Existe hoje um grande excedente de capacidade de gás natural devido a uma onda de novas usinas construídas na última década. Como resultado, muitas usinas de gás natural estão operando bem abaixo de sua capacidade prevista, segundo vários estudos (MIT 2011; Swisher 2011; Kaplan 2010). Substituir usinas de carvão menos flexíveis por capacidade de gás natural subutilizada — e acrescentar novas usinas de gás que possam iniciar rapidamente — poderá permitir aos operadores integrar energia renovável mais facilmente e a um custo menor, reduzindo a poluição do ar e o uso de água. No entanto, um aumento significativo na dependência da nação ao gás natural tem muitos riscos econômicos, ambientais, de saúde pública e segurança. A intensificação das tecnologias de energia renovável e economia de energia agora (veja abaixo) é crucial para reduzir esses riscos, diminuindo custos e fazendo a transição rapidamente para um sistema energético de baixo carbono.

Construção de novas linhas de transmissão. Acrescentar grandes quantidades de energia renovável (ou fontes convencionais) ao sistema elétrico — e fornecer energia eólica de alta qualidade e energia solar em grande escala de áreas remotas para cidades — demandará novas linhas de transmissão. Novas linhas também serão necessárias para tornar a rede mais confiável e integrar a energia eólica e a solar a áreas maiores. Novas linhas tornariam o sistema elétrico mais eficiente e permitiriam que a energia eólica substituísse instalações mais onerosas para operar.

Alguns estudos mostraram que o dinheiro economizado com a diminuição da operação de usinas de carvão e gás natural compensaria a maioria ou todos os custos de acrescentar mais capacidade de transmissão (EnerNex 2010). E esses estudos não consideraram tornar as residências e empresas mais eficientes em termos energéticos ou utilizar energia eólica e solar em pequena escala, calor e energia combinados e outras tecnologias próximas de onde a eletricidade é consumida, o que também poderia reduzir os custos bem como a necessidade de novas linhas de transmissão.

O investimento em nova capacidade de transmissão — o que pode levar até uma década entre planejamento, aprovação e construção — não acompanhou o ritmo do rápido crescimento da energia eólica nos Estados Unidos. No entanto, progressos notáveis têm sido feitos nos últimos anos para corrigir esse problema. Os projetos de transmissão que estão sendo desenvolvidos atualmente poderão respaldar quase o dobro de capacidade de energia eólica nos próximos oito anos (AWEA 2012a). Somente o Texas está investindo US$ 6,5 bilhões para construir 3.700 quilômetros de nova transmissão de alta tensão até 2013 que respaldará até 18.500 MW de energia eólica (O’Grady 2011).

Podemos continuar a modernizar a rede do Noroeste de novas maneiras que ajudarão a reduzir os custos da energia eólica, protegendo a confiabilidade.

—Steve Wright, Administração de Energia de Bonneville (Business Wire 2011)

Em dezembro de 2011, o Operador Independente do Sistema do Meio-Oeste aprovou 17 novas linhas de transmissão “multi-valor” que respaldarão 14 mil MW de capacidade eólica, ajudarão as empresas de serviços públicos a cumprir as normas de eletricidade renovável do estado, melhorarão a confiabilidade do sistema e fornecerão até US$ 49 bilhões em benefícios econômicos líquidos (MISO 2011). Outros projetos de transmissão estão avançando na Califórnia e nos estados do Noroeste, Sudoeste, das Montanhas, Meio-Oeste e Planícies (AWEA 2012a; Wiser e Bolinger 2012).

Administração da demanda dos clientes. A maneira menos dispendiosa de administrar a variabilidade da rede muitas vezes não é acrescentando mais fontes de energia, mas administrando melhor a demanda dos clientes. Muitas empresas de serviços públicos já oferecem programas de “resposta à demanda”, que pagam a grandes clientes para reduzirem o consumo de eletricidade quando a demanda é alta. Por exemplo, os operadores independentes do sistema na Nova Inglaterra, em Nova York e na região do Médio Atlântico permitem que programas de resposta à demanda atendam a necessidades futuras de eletricidade se forem menos onerosos do que a geração de eletricidade (ISO-NE 2012). Essas regiões utilizam esses programas para ajudar a equilibrar a oferta e a demanda minuto a minuto, proporcionando mais flexibilidade para a integração das energias eólica e solar.

Utilização de tecnologias de rede inteligente. Segundo analistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, novas tecnologias em sensoriamento, comunicações, controle e eletrônica de potência podem tornar a rede mais eficiente e confiável, melhorar o uso da capacidade existente e proporcionar maior flexibilidade no controle dos fluxos de energia. E esses benefícios, por sua vez, permitiriam que os operadores integrassem grandes volumes de energia renovável e distribuída (MIT 2011). Por exemplo, o primeiro limiar para permitir mais energia solar distribuída em uma linha de distribuição é determinar se os fornecimentos acrescentados excederam a demanda da linha. Ao medir a menor quantidade de energia utilizada em uma linha de distribuição, em vez de somente a maior, uma empresa de serviços públicos poderia possibilitar mais energia solar distribuída nessa linha sem acrescentar equipamentos de controle.

Nossa meta é fornecer energia segura, confiável e com segurança ambiental a um custo razoável. Acrescentar energia eólica à nossa carteira nos ajuda a alcançar nossas metas. E, melhor ainda, acrescentar energia eólica à nossa matriz energética não significou aumento dos preços. Na verdade, isso nos ajudou a continuar reduzindo os custos. Simplificando, ter uma variedade de opções de energia nos dá a capacidade de fazer as escolhas mais inteligentes para os nossos clientes.

—Tim Laughlin, Xcel Energy (Laughlin 2012)

Armazenamento. Várias tecnologias de armazenamento estão atualmente disponíveis para administrar a variabilidade na rede ao longo de curtos períodos de tempo, bem como para armazenar eletricidade quando a demanda é baixa e utilizá-la quando a demanda é mais alta. Muitas dessas tecnologias têm sido utilizadas há décadas para acomodar outras fontes de variabilidade e incerteza no sistema de energia e ajudar a integrar usinas nucleares e de carvão inflexíveis. Essas tecnologias de armazenamento incluem:

• Hidrelétrica por bombeamento. Essas usinas armazenam energia pelo bombeamento de água a uma posição mais elevada quando a oferta de eletricidade excede a demanda e depois permitindo que a água escoe através de uma turbina para produzir eletricidade quando a demanda excede a oferta. Com 22 gigawatts (GW) de capacidade instalada nos Estados Unidos — grande parte dela construída há uma geração para ajudar a acomodar usinas nucleares inflexíveis — a hidrelétrica por bombeamento é a maior fonte de armazenamento no sistema energético atual. No entanto, o potencial para mais armazenamento de hidrelétricas por bombeamento é limitado, já que o longo processo de licenciamento e os altos custos dificultam o financiamento de novas instalações hidrelétricas.

Armazenamento térmico. O calor do sol capturado por usinas de energia solar concentrada pode ser armazenado na água, em sais fundidos ou em outros fluidos e utilizado para gerar eletricidade por horas depois do pôr do sol. Várias dessas usinas estão em operação ou foram propostas na Califórnia, no Arizona e em Nevada. A Administração de Energia de Bonneville também está realizando um programa-piloto no Noroeste para armazenar a energia excedente de instalações eólicas em aquecedores de água residenciais (PUD Condado de Mason 2012).

Com novas ferramentas e experiência, nossos operadores aprenderam a aproveitar cada megawatt de energia possível quando o vento está soprando em níveis altos como agora.

— Kent Saathoff, ERCOT (ERCOT 2012)

Armazenamento de energia por ar comprimido. Esses sistemas utilizam a eletricidade excedente para comprimir o ar e armazená-lo em cavernas subterrâneas, como as utilizadas para armazenar gás natural. O ar comprimido é então aquecido e utilizado para gerar eletricidade em uma turbina de combustão de gás natural. Essas instalações estão em operação no Alabama e na Europa há muitos anos, e desenvolvedores propuseram vários novos projetos no Texas e na Califórnia (Copelin 2012; Kessler 2012).

Baterias. As baterias também podem armazenar eletricidade renovável, acrescentando flexibilidade à rede. A AES Corp. está utilizando 1,3 milhão de baterias para armazenar energia em um projeto eólico na Virgínia Ocidental (Wald 2011). As baterias em veículos elétricos plug-in também podem armazenar energia eólica e solar e depois abastecer os veículos ou fornecer eletricidade e estabilidade à rede quando os veículos não estiverem em uso. Um projeto-piloto da Universidade de Delaware com empresas de serviços públicos na região do Médio Atlântico mostrou que esses veículos poderiam ser compensadores tanto para a rede quanto para proprietários de veículos elétricos, que seriam pagos pelo uso de suas baterias (Tomic e Kempton 2007).

Hidrogênio. A eletricidade excedente também pode ser utilizada para separar moléculas de água e produzir hidrogênio, que seria armazenado para uso posterior. O hidrogênio pode ser então utilizado em uma célula de combustível, motor ou turbina de gás para produzir eletricidade sem emissões. O Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) também pesquisou a possibilidade de armazenar hidrogênio produzido a partir de energia eólica em torres eólicas, para uso na geração de eletricidade quando a demanda for alta e não houver vento (Kottenstette e Cottrell 2003).

Movendo o futuro com energia renovável

Com essas ferramentas em mãos, podemos levar a energia renovável a níveis muito mais altos. Os principais países e estados definiram metas fortes para a energia renovável com o objetivo de alcançar esse futuro. Pelo menos 18 países têm normas vinculantes de eletricidade renovável (REN21 2012). A Dinamarca pretende produzir 50% de sua eletricidade a partir do vento até 2025 — e 100% de sua eletricidade a partir de energias renováveis até 2050. A Alemanha tem uma meta vinculante para produzir pelo menos 35% de sua eletricidade a partir de fontes renováveis até 2020 — com a meta subindo para 50% até 2030 e 80% até 2050. A China também tem uma meta de curto prazo para produzir 100 GW por ano a partir do vento e está considerando dobrar sua meta solar para 40 GW até 2015. Essas metas são 40% mais altas do que a capacidade eólica instalada nos EUA e mais de cinco vezes a capacidade solar americana até o fim de 2012.

O vento representa uma das opções de combustível que nos ajuda a controlar o congestionamento do sistema e, em última instância, ajuda a manter os preços baixos para os nossos clientes.

—Joe Gardner, Operador Independente do Sistema de Transmissão do Meio-Oeste (Reuters 2012)

Os Estados Unidos não têm uma meta nacional ou outra política de longo prazo para expandir o uso da energia renovável. No entanto, 29 estados e o Distrito de Colúmbia (DC) adotaram normas de eletricidade renovável, que determinam que as empresas de serviços públicos forneçam uma parcela cada vez maior de energia proveniente de fontes renováveis. O DC e 17 estados exigem pelo menos 20% de energias renováveis até 2025. O Havaí e o Maine têm a maior porcentagem de normas renováveis (40% até 2030), seguidos de Califórnia (33% até 2020), Colorado (30% até 2020) e Minnesota (27,5% até 2025) (UCS 2011).

Vários estudos mostram que podemos fazer a transição para um sistema de eletricidade de baixo carbono com base em grandes parcelas de energias renováveis em duas décadas, considerando-se as políticas e infraestrutura certas. Por exemplo, simulações detalhadas feitas nos EUA por operadores de rede, empresas de serviços públicos e outros especialistas constataram que os sistemas de eletricidade nas regiões Leste e Oeste do país poderiam funcionar com pelo menos 30% da eletricidade total proveniente da energia eólica — e que o Oeste poderia trabalhar com outros 5% de energia solar (EnerNex 2010; GE Energy 2010). A utilização de tecnologias de armazenamento de energia para equilibrar as flutuações nesses recursos seria útil, mas não necessária, e nem sempre econômica, segundo esses analistas.

Essas simulações mostraram que esses ganhos demandariam investimentos significativos em nova capacidade de transmissão, junto com mudanças na forma como a rede é operada (como observado acima). A expansão das linhas de transmissão para permitir que a energia eólica forneça de 20% a 30% da eletricidade utilizada no Leste dos Estados Unidos em 2024 demandaria apenas de 2% a 5% dos custos totais do sistema (EnerNex 2010). No entanto, como observado, as reduções no custo operacional das usinas de carvão e gás natural compensaria a maioria ou todos esses novos custos.

Outros estudos mostraram que os Estados Unidos podem alcançar níveis ainda mais altos de energia renovável, reduzindo de maneira significativa a dependência das usinas a carvão e mantendo um sistema de eletricidade confiável, acessível e muito mais limpo. Por exemplo, o NREL constatou que as tecnologias de energia renovável atualmente disponíveis poderão fornecer 80% da eletricidade dos EUA em 2050 e ao mesmo tempo atender à demanda todas as horas do ano em todas as regiões do país (Figura 4) (NREL 2012). Nesse cenário, as instalações eólicas e solares fornecem quase metade da eletricidade dos EUA em 2050. O NREL também constatou que um futuro da eletricidade com alta participação das energias renováveis reduziria profundamente as emissões de carbono e o uso da água. Os investimentos necessários em nova infraestrutura de transmissão seriam em média de US$ 6,5 bilhões por ano, de acordo com o NREL — com a gama recente desses custos para as empresas de serviços públicos de propriedade de investidores.

No documento Climate 2030, a União de Cientistas Engajados analisou um cenário compatível com as metas definidas pelos estados líderes em investimentos em energia limpa (Cleetus et al. 2009). A análise definiu uma meta nacional para reduzir as emissões de carbono dos EUA em 57% até 2030 e pelo menos 80% até 2050. Quando combinada com melhorias na eficiência energética, a energia renovável poderá fornecer com confiança pelo menos metade das necessidades de eletricidade dos EUA até 2030, segundo essa análise. Para alcançar essas metas, mais da metade da energia renovável viria de bioenergia, energia geotérmica, energia hidrelétrica e usinas de energia solar concentrada com armazenamento térmico — tecnologias que podem produzir eletricidade 24 horas por dia e durante períodos de alta demanda.

A energia variável (eólica e solar fotovoltaica) forneceria 22% da eletricidade total dos EUA até 2030.

Outro estudo constatou que o investimento em eficiência energética e energia renovável possibilitaria que a nação eliminasse gradualmente o carvão e reduziria de maneira significativa a dependência da energia nuclear (Synapse 2011). Um estudo de 2011 do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas concluiu que as energias renováveis poderão fornecer com confiança até 77% das necessidades mundiais de energia até 2050 (IPCC 2011). E vários estudos constataram que as fontes renováveis poderão fornecer 100% das necessidades de energia do mundo até 2050 (DeLuchhi e Jacobson 2011; WWF 2011; Jacobson e Delucchi 2010).

Figura 4. A energia renovável poderá fornecer 80% da eletricidade dos EUA até 2050.

Um estudo de 2012 do Laboratório Nacional de Energia Renovável constatou que as tecnologias de energia renovável atualmente disponíveis poderão fornecer 80% da eletricidade dos EUA em 2050 e ao mesmo tempo atender à demanda todas as horas do ano em todas as regiões do país. Nesse cenário, as instala.

Acelerando a transição para as energias renováveis

Alcançar altos níveis de energia renovável demandará uma grande transformação do sistema de eletricidade dos EUA, como sugere a análise do NREL de atingir 80% de eletricidade a partir de fontes renováveis até 2050:

Essa transformação, envolvendo todos os elementos da rede, do planejamento à operação do sistema, precisaria garantir planejamento adequado e reservas operacionais, maior flexibilidade do sistema elétrico e infraestrutura de transmissão dos estados expandida, e provavelmente dependeria do desenvolvimento e da adoção de avanços tecnológicos, novos procedimentos operacionais, modelos de negócios evoluídos e novas regras de mercado (NREL 2012).

Tanto o NREL quanto o relatório Future of the Electric Grid (Futuro da Rede Elétrica) do MIT mostram que uma rede mais flexível e mais inteligente pode superar os desafios para a integração das energias renováveis à rede. No entanto, essas mudanças por si só não serão suficientes para alcançar uma transição significativa para a eletricidade renovável. Políticas estaduais e nacionais fortes são necessárias para superar as barreiras de mercado ao desenvolvimento da energia limpa e das tecnologias de apoio e realizar mais plenamente os benefícios econômicos e ambientais da transição do carvão para as energias limpas. O apoio de políticas é essencial para garantir o crescimento continuado da indústria da energia renovável e as reduções de custos resultantes de aprendizado, inovação e economias de escala.

A expansão do sucesso dos 29 estados com uma norma de eletricidade renovável pela adoção de uma norma nacional forte de pelo menos 25% de energias renováveis até 2025 pode acelerar a transição para a energia limpa. Iniciativas direcionadas — como créditos fiscais, pagamentos diretos, subsídios e empréstimos de baixo custo — e mais recursos para pesquisa e desenvolvimento também são importantes para reduzir os custos de novas tecnologias de energia renovável e integração. Normas fortes para o controle da poluição causada por usinas de carvão também são essenciais para proteger a saúde pública e o meio ambiente.

Um compromisso nacional com a energia renovável resultará em cortes profundos nas emissões de carbono e outras emissões que retêm calor de forma rápida e eficiente, permitindo evitar os piores impactos das mudanças climáticas e ajudar a nivelar o campo de disputa entre os combustíveis fósseis e as fontes de energia mais limpas e de baixo teor de carbono. Como mostrou o Climate 2030, a combinação dessas políticas com normas e incentivos para o investimento em aparelhos, prédios e indústrias com eficiência energética pode frear o consumo de energia, reduzindo a necessidade de construir novas usinas de energia e diminuindo de maneira significativa o custo da redução das emissões de carbono.

Outras tecnologias de baixo carbono para a produção de eletricidade — como usinas nucleares avançadas e usinas de combustíveis fósseis com captura e armazenamento de carbono — também podem se tornar disponíveis para competir com energias renováveis avançadas.

Se isso ocorrer, teremos ainda mais oportunidades para criar um sistema energético de baixo carbono. Enquanto isso, as tecnologias de energia renovável disponíveis atualmente — junto com investimentos em eficiência energética e o uso apropriado do gás natural — podem nos conduzir por boa parte do caminho de maneira acessível economicamente.

Boxe 1. Como funciona a rede de eletricidade

A rede elétrica tem sido chamada de a máquina mais complexa do mundo. Ela conecta fontes de energia para consumidores em residências, escritórios, fábricas e escolas por meio de milhares de quilômetros de fios de transmissão e distribuição. Os operadores de rede precisam fazer corresponder exatamente a quantidade de eletricidade gerada com aquela necessária a cada segundo do dia, conforme as cidades acordam e voltam a dormir, grandes fábricas e eletrodomésticos são ligados e desligados e geradores e linhas de transmissão entram e saem de serviço.

Os operadores de rede, também chamados de autoridades de equilíbrio, fazem corresponder a demanda por eletricidade com os recursos de geração e transmissão em uma área de controle. Esses operadores enviam um sinal para os operadores de usinas de energia aumentarem ou diminuírem a produção conforme necessário. Conforme a demanda aumenta, os operadores de rede normalmente ligam as usinas — ou as despacham — de acordo com o custo, com os mais baratos despachados primeiro, com base nos preços que os proprietários das usinas ofertam no mercado de energia. Quando surgem restrições operacionais ou de transmissão, os operadores de rede podem despachar algumas usinas fora de serviço por questões de custo, para manter a confiabilidade da rede de energia elétrica. O último gerador ligado para atender à demanda em determinado local e hora define o preço para o restante do mercado.

Os operadores de rede dependem do “controle automático de geração” (também chamado regulação de frequência) para fazer o ajuste fino da produção da usina de energia em resposta a mudanças na demanda em segundos e minutos. As reservas rotativas — usinas em operação, mas sem funcionar em plena potência — precisam estar prontas para responder em minutos, se necessário. Os operadores de rede precisam manter capacidade de reserva suficiente para atender à demanda de pico prevista, além de uma porcentagem a mais para cobrir uma demanda inesperada ou interrupções na usina. Eles também precisam manter uma reserva de energia grande o suficiente para substituir uma perda repentina da principal fonte do sistema, seja uma usina de geração ou uma linha de transmissão.

Grandes centrais de geração térmica, como usinas nucleares e de carvão, operam normalmente entre 80% e 90% do tempo, porque são caras para serem construídas, mas relativamente baratas para funcionarem. Os operadores ligam ou desligam usinas de ciclo combinado — que em geral são mais caras para funcionar, mas também mais flexíveis do que a maioria das usinas nucleares e de carvão — para refletir mudanças horárias na demanda. Os operadores usam usinas de pico — com projetos normalmente de construção barata, mas funcionamento dispendioso — somente para atender à demanda máxima diária ou sazonal, como em dias quentes de verão. As usinas de gás natural podem ser tão baratas para serem operadas quanto as usinas de carvão, mas são mais frequentemente utilizadas como usinas de ciclo e de pico, porque podem ser aceleradas e desaceleradas muito rapidamente.

Boxe 2. Xcel Energy: principal fornecedora de energia eólica no varejo nos EUA.

O primeiro grande investimento da Xcel em energia eólica foi em 1994, depois que Minnesota aprovou uma lei determinando que a empresa aumentasse o fornecimento de energia renovável em troca da permissão para armazenar resíduos nucleares em sua usina nuclear Prairie Island no Rio Mississippi. Desde então, as normas de eletricidade renovável (RESs) estaduais em Colorado, Minnesota, Novo México, Wisconsin e outros estados têm sido um grande impulsionador dos investimentos da Xcel em energia eólica e outras fontes de energia renovável.

Em Minnesota, a Xcel projeta que a participação da energia eólica e de outras fontes renováveis nas vendas anuais de eletricidade aumentará de 13% em 2011 para 19% em 2012 e 30% até 2020, para atender à RES do estado. Em relatório de conformidade enviado à Comissão de Serviços Públicos de Minnesota (PUC), a Xcel informou que os preços da energia estavam 0,7% mais baratos por ter usado energia eólica em vez de fontes não renováveis. A energia eólica também tem sido uma fonte de renda importante para muitos agricultores, pecuaristas e comunidades locais que recebem turbinas eólicas em áreas de serviço da Xcel.

No Colorado, a Xcel contou com a energia eólica para fornecer mais de 50% de sua eletricidade em várias noites em que os ventos foram fortes e a demanda por eletricidade foi baixa. Na noite de 15 de abril de 2012, a Xcel registrou um recorde americano ao gerar 57% da eletricidade vendida no Colorado proveniente do vento (Hargreaves 2012; Laughlin 2012). A empresa produziu 37% de sua eletricidade a partir da energia eólica em Minnesota em condições semelhantes.

A Xcel adotou várias medidas para integrar a energia eólica a seu sistema e ao mesmo tempo reduzir os custos. Por exemplo:

A Xcel trabalhou com cientistas do Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica em Boulder, no Colorado, para desenvolver um sistema de previsão de ventos de alta resolução que combina informações em tempo real sobre turbinas eólicas com modelos de previsão do tempo para prever a quantidade de energia eólica que estará disponível com 72 horas de antecedência (Xcel 2013). Baseado em décadas de pesquisa atmosférica, o sistema é 35% mais preciso do que ferramentas de previsão anteriores. Também economizou mais de US$ 14 milhões dos contribuintes ao possibilitar que a Xcel diminuísse a produção das usinas de carvão e gás natural e reduzisse pela metade os desligamentos forçados das turbinas eólicas.

A Xcel também está exigindo que os novos projetos eólicos forneçam serviços de regulação — uma reserva operacional que acompanha as mudanças na oferta e na demanda minuto a minuto. A Xcel tinha 1.375 MW de energia eólica para fornecer esse serviço em 2011, permitindo que os operadores de rede contassem com o vento como uma fonte de energia mais previsível e confiável (Noailles 2012; Schwartz et al. 2012).

O Operador Independente do Sistema do Meio-Oeste e a Comissão de Serviços Públicos de Minnesota aprovaram uma nova linha de transmissão de alta tensão, no valor de US$ 730 milhões e 370 quilômetros de extensão, de Brookings (Dakota do Sul) a Mineápolis e St. Paul, com capacidade de até 1 mil MW de energia eólica (Wiser e Bolinger 2011). Outras linhas de transmissão aprovadas na região atenderiam outros 4 mil MW de energia eólica (AWEA 2012a).

A Xcel está adquirindo eletricidade de um projeto de energia solar fotovoltaica de 2 megawatts perto de Slayton (Minnesota), no coração do país do vento. A empresa está testando se o projeto e os vários parques eólicos da área podem se complementar e produzir eletricidade mais confiável (Xcel 2012).

Em 2008, a empresa começou a testar uma tecnologia de bateria de 1 megawatt em Luverne (Minnesota), que armazena energia de um parque eólico de 11 MW e a transfere para a rede de energia elétrica quando necessário (Xcel 2012). A Xcel também fez parceria com a Universidade de Minnesota em Morris em um projeto de demonstração vento-hidrogênio. O hidrogênio pode ser utilizado tanto para produzir eletricidade durante períodos de alta demanda quanto para ser convertido em fertilizante de nitrogênio para ser usado em propriedades agrícolas locais (Universidade de Minnesota 2008). (usembassy)