Acabou-se o tempo em que fileiras esguias de trabalhadores iam para as máquinas às sete da manhã e às oito da noite saíam das fábricas na mesma ordem e adormeciam em frente à TV quase simultaneamente. Agora, as megacidades nunca adormecem e, junto com elas, 24 horas por dia, 7 dias por semana e toda a humanidade progressiva, "corujas", a indústria do entretenimento e as empresas de rede global. Todos eles precisam de eletricidade, e a qualquer momento, sem uma ciclicidade pronunciada. Enquanto isso, o mundo está mudando para fontes de energia renováveis, cuja produção depende de condições naturais que não são controladas pelo homem. Como neste mundo estocar e depois compartilhar eletricidade, evitando apagões? Vamos falar sobre o exemplo das tecnologias Toshiba.
Além da eletrificação de todo o planeta
O consumo de eletricidade aumentará. As principais direções desse processo são a eletrificação de veículos, a transferência de alguns processos industriais da energia térmica para a alimentação, bem como o crescimento do consumo doméstico de corrente elétrica. Em particular, de acordo com a previsão da Agência Internacional de Energia, 130 milhões de veículos elétricos circularão em nosso planeta até 2040, embora em 2018 fossem 5,1 milhões de unidades. No total, o número de carros é estimado em 1 bilhão e, em 2035, pode crescer para 2 bilhões de unidades. Nas indústrias alimentícia, farmacêutica, têxtil, de papel e outras, a eletricidade substituirá o carvão e o gás na produção de calor de média e baixa temperatura. A eletrificação dos países pobres também continuará, onde a eletricidade será mais amplamente utilizada na vida cotidiana.E a participação da eletricidade no consumo total de energia aumentará de 19% em 2018 para 24% em 2040.
Conseqüentemente, os riscos de apagões aumentarão - interrupções de energia em grande escala afetando uma ampla variedade de consumidores. De acordo com o Banco Mundial, em 2019, uma média de todos os países ao redor do mundo, várias organizações experimentaram 6,8 cortes de energia por mês. É verdade que nos países da OCDE esse número foi de 0,4 apagões, e na Rússia - 0,2 apagões por mês.
O desastre da rede elétrica nos Estados Unidos e Canadá em 2003 - Uma visão do espaço. Em 14 de agosto de 2003, 10 milhões de pessoas no Canadá e 40 milhões nos Estados Unidos ficaram sem eletricidade. Fonte: National Oceanic and Atmospheric Administration, Defense Meteorological Satellite Program / Wikimedia Commons
Ao mesmo tempo, a introdução na produção e na vida cotidiana de tecnologias como a inteligência artificial e a Internet das Coisas (incluindo a Internet das Coisas industrial) requer a minimização das interrupções de energia que podem interromper seriamente a operação de sistemas inteligentes complexos.
Além disso, a abordagem do consumo de energia mudará após a introdução de fontes de energia renováveis, que fornecem resultados diferentes dependendo da hora do dia e do clima. Durante o dia ou com vento, os painéis solares e os parques eólicos geram mais corrente do que à noite e com tempo calmo. Conseqüentemente, é melhor economizar o excesso de energia para garantir. Mas como?
Metamorfose de energia
Conservar energia, principalmente em escala industrial, não é fácil. Apesar de a natureza da eletricidade ser bem compreendida, sua conservação requer soluções técnicas complicadas ou caras (ou ambas ao mesmo tempo). O que protegerá o mundo altamente eletrificado do futuro contra apagões?
Em suma, química e mecânica. Quase todos os métodos de acumulação de eletricidade são reduzidos à sua transformação por meio de reações químicas ou movimento mecânico.
A primeira ideia que todo usuário de smartphone ou proprietário de carro elétrico tem é: por que não usar enormes baterias de íon-lítio em escala industrial? Já houve tentativas de criar grandes unidades deste tipo. Por exemplo, a Tesla agora está trabalhando para aumentar a capacidade (de 100 para 150 MW) do maior armazenamento de íon-lítio de eletricidade do mundo, coletado em 2017 no estado da Austrália do Sul, no Continente Verde. Consiste em baterias de íon de lítio Tesla Powerpack projetadas para utilitários e usuários industriais. Dentro, há 16 blocos de bateria separados, cada um com um conversor CC / CC isolado.
A potência de cada um deles chega a 130 kW, e o consumo de energia é de 232 kWh. Uma instalação de armazenamento Tesla Powerpack da Austrália do Sul ajuda a conservar a energia de um parque eólico próximo. Quando totalmente carregada, essa "bateria" com capacidade de 129 MWh pode fornecer eletricidade para 30 mil residências.
Assinatura: Cada Powerpack é como um tijolo a partir do qual é construído um armazenamento de energia. Um inversor pode ser conectado de um a 20 Powerpacks. Essas baterias e inversores podem ser usados para criar uma instalação de armazenamento de enorme intensidade de energia. Fonte: Tesla
No entanto, além das desvantagens conhecidas de tais baterias, há também o seguinte: ao aumentar as baterias de íon-lítio para escala industrial, estamos igualmente aumentando o problema de seu descarte. Portanto, mantendo-se ecologicamente corretas durante o período de operação, baterias enormes no futuro representarão uma ameaça ao meio ambiente e serão incômodas quando forem canceladas.
Outra forma de converter energia é a eletrólise.
Vamos explicar usando o exemplo de nossa instalação H2One, sobre a qual já falamos.: os painéis solares fornecem o processo de eletrólise da água, como resultado do qual o hidrogênio é liberado; o hidrogênio é armazenado ou fornecido ao consumidor, e o hidrogênio pode imediatamente fornecer calor, energia mecânica ou eletricidade quando oxidado em uma célula de combustível. O único problema até agora é que enquanto a energia de uma estação H2One é suficiente apenas para pequenos objetos, por exemplo, a estação ferroviária da cidade de Kawasaki (Japão). Escala industrial no futuro.
As mais simples em princípio, mas complexas na implementação, as opções são mecânicas. O esquema geral é o seguinte: durante o período de pico de produção, a eletricidade é armazenada bombeando gás ou água para tanques especiais, elevando cargas a uma altura ou comprimindo uma mola. Durante um período de falta de energia, a energia é liberada mecanicamente, realimentando a substância, peso ou afrouxando a mola. O princípio é simples, ecológico, escalonável industrialmente e muito durável. É por isso que, segundo a Vygon Consulting, 95% dos sistemas de armazenamento de energia no mundo são usinas hidrelétricas (PSPPs) que usam apenas o que a natureza nos deu - água e paisagens montanhosas para armazenamento de energia.
Eu torço, giro, eu quero magnetizar
Pela primeira vez, o uso de água e paisagens montanhosas para armazenamento de energia foi inventado na Suíça. Em 1909, nas proximidades da cidade de Schaffhausen, no cantão do mesmo nome, foi construída a primeira estação bombeada de armazenamento Engeweiher com capacidade de 1,5 MW. O princípio de operação do PSPP incorporado nessa instalação foi preservado de forma geral até hoje.
A estação consiste em uma bomba, dois reservatórios localizados em alturas diferentes e uma turbina. Quando há um excedente de eletricidade, a bomba bombeia água para o reservatório superior. Quando não há eletricidade suficiente na rede, a água é desviada para o reservatório inferior por meio de uma turbina, que fornece eletricidade. A simplicidade e confiabilidade deste princípio foram comprovadas pelo tempo, bem como pela história da própria estação Engeweiher, que ainda está em operação - suas capacidades se mostraram muito úteis no contexto do desenvolvimento de fontes de energia renováveis na Suíça.
A usina hidrelétrica de armazenamento é uma das mais antigas fontes renováveis de energia do mundo. Fonte: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
O próximo passo no desenvolvimento de tecnologia foi dado na década de 1930. Entendia-se que turbinas hidráulicas acopladas a geradores poderiam operar com maior eficiência se sua velocidade de rotação fosse controlada. Portanto, em 1930, a Toshiba desenvolveu um hidrogerador-motor assíncrono de 750 kVA, que foi instalado na Estação Yoshino na cidade de Kanazawa (Prefeitura de Ishikawa, Japão). A velocidade de rotação da turbina pode ser alterada para atingir a eficiência máxima.
No entanto, essa tecnologia não teve ampla aplicação na época e, posteriormente, foram utilizados principalmente hidrogeradores-motores síncronos, que operam com velocidade de rotação constante (síncrona), razão pela qual a potência de entrada não pode ser alterada. Isso significa que não foi fácil ajustar a operação da estação às mudanças na demanda (digamos, à noite, quando mais energia precisava ser gasta no bombeamento de água e menos para fornecê-la à rede) - a eficiência da injeção ou da produção diminuiu.
Em 1990, a Toshiba voltou-se para a tecnologia de motor hidrogerador assíncrono: em cooperação com a Tokyo Electric Power Company (TEPCO), a primeira unidade de bombeamento de velocidade variável do mundo foi desenvolvida e instalada na estação de bombeamento de Yagasawa, usando um motor gerador CA de excitação secundária. baixa frequência. É controlado por um controlador digital de alta velocidade e alto desempenho que pode alterar a potência de entrada e saída muito mais rápido do que nas unidades hidráulicas convencionais, o que permite uma estabilização mais rápida das oscilações de potência na rede, por exemplo, em caso de emergências. Desde então, geradores-motores assíncronos em usinas hidrelétricas reversíveis começaram a ser usados com mais frequência e agora são o modelo mais promissor para armazenamento reversível.
Em junho de 2014, a maior unidade de bombeamento de velocidade variável do mundo, com capacidade de 475 MVA, iniciou a operação do quarto bloco do PSP Kazunogawa (Prefeitura de Yamanashi, Japão), que também possui a maior cabeça de bomba do mundo (785 m) para uma turbina de bomba de estágio único. Esta estação também é operada pela TEPCO. Fonte: Toshiba Energy Systems Co., Ltd / YouTube
A unidade hidráulica de velocidade variável aumenta a eficiência do bombeamento e da operação da turbina, aumentando assim a eficiência do ciclo completo da usina de armazenamento bombeado e também reduz a vibração e o desgaste mecânico do sistema. Além disso, tal máquina pode reagir instantaneamente a mudanças repentinas na demanda de eletricidade associada, por exemplo, ao uso de fontes de energia renováveis instáveis ou apagões.
E nós dissemos: "Usinas hidrelétricas reversíveis com um gerador de motor assíncrono, sejam frutíferas e multipliquem-se!" Fonte: Abubakirov Sh. I. Experiência e perspectivas do uso de hidrogeradores assíncronos em projetos do JSC "Institute Hydroproject" // Hydroenergetics. - 2010.— No. 2 (19).
Encontrando equilíbrio
As soluções descritas, como você pode ver, são de grande escala industrial. Mas quão razoável é essa centralização? E não é melhor implementar soluções distribuídas que podem resolver os problemas de equalização de desequilíbrios no sistema de alimentação? Nada impede a combinação dessas duas abordagens, combinando grandes sistemas de armazenamento de energia e sistemas locais, como os construídos a partir de baterias individuais instaladas em objetos específicos e até mesmo em edifícios residenciais, dentro de um sistema de alimentação.
As baterias recarregáveis, especialmente as SCiBTM da Toshiba, são mais adequadas para resolver esses problemas. Seu ânodo é baseado em óxido de titânio e lítio (LTO), o que permite maior capacidade efetiva, além de proporcionar vida longa, operação em baixas temperaturas, carregamento rápido, entrada e saída de alta potência. O Toshiba SCiBTM pode ser aplicado em uma ampla variedade de aplicações, desde armazenamento estacionário pequeno (kW) para aplicações residenciais a automóveis, ônibus, vagões de trem, elevadores, usinas de energia e armazenamento de energia em grande escala (MW) para redes de energia, redes inteligentes e usinas de energia solar. Fonte: Toshiba
Além disso, instalações individuais de armazenamento local de eletricidade podem, por sua vez, também ser combinadas em grandes estruturas - usinas de energia virtuais, sobre o qual já falamos neste blog. E essas soluções já estão sendo implementadas.
Por exemplo, na Alemanha, a TenneT, a maior empresa de distribuição, juntamente com o fabricante de sistemas de armazenamento doméstico Sonnen, anunciou a criação de uma espécie de blockchain de energia: eles planejam conectar dispositivos domésticos de armazenamento de energia em uma rede para equalizar desequilíbrios no sistema de energia em nível nacional. No entanto, até agora o número de proprietários de dispositivos de armazenamento adequados para isso é muito menor do que os proprietários de estações domésticas que usam fontes de energia renováveis.
A combinação de enormes instalações de armazenamento de energia e pequenas instalações locais, interligadas, ajudará a amenizar os desequilíbrios de consumo e geração, de que falamos no início, e a minimizar a possibilidade de apagões.