A enorme bateria que substituiu a última usina a carvão do Havaí
(canarymedia.com)- A rede elétrica de Oahu perdeu 180 MW de geração de base a combustível fóssil com o fechamento de sua última usina a carvão em 1º de setembro de 2022, e o Kapolei Energy Storage, da Plus Power, começou a assumir funções essenciais dessa lacuna na rede
- Kapolei é uma instalação de baterias de 185 MW composta por 158 Tesla Megapack, oferecendo uma potência instantânea semelhante à da usina a carvão, com tempo de resposta de 250 milissegundos
- Sua capacidade de armazenamento de 565 MWh não é suficiente para substituir diretamente toda a geração da usina a carvão, mas armazena o excedente de energia renovável para fornecê-lo no horário de demanda à noite e reduz o curtailment
- A Hawaiian Electric e a Plus Power projetaram o sistema com inércia sintética, resposta rápida de frequência e capacidade de black start, para apoiar até a religação após apagões
- Kapolei responde por cerca de 17% da capacidade de pico de Oahu, tornando-se um caso real de transferência de serviços essenciais da rede, antes prestados por usinas a combustível fóssil, para uma fonte limpa
A lacuna na rede causada pelo fechamento da usina a carvão
- O Havaí fechou sua última usina a carvão em 1º de setembro de 2022, removendo da rede de Oahu 180 MW de geração de base a combustível fóssil
- Isso foi uma etapa rumo à meta do Havaí de encerrar a queima de combustíveis fósseis na geração de eletricidade até 2045
- O desafio restante era manter a confiabilidade da rede enquanto se fazia a transição para um grande e diverso portfólio de energia renovável, cuja produção varia conforme o clima
Composição e operação do Kapolei Energy Storage
- O Kapolei Energy Storage, desenvolvido e pertencente à Plus Power, iniciou operação comercial antes do Natal em uma área industrial no oeste de Oahu
- A instalação carrega e descarrega de acordo com os sinais da Hawaiian Electric
- É composta por 158 Tesla Megapack
- Sua capacidade de descarga instantânea é de 185 MW, equivalente à potência que a antiga usina a carvão podia injetar na rede
- O tempo de resposta é de 250 milissegundos, muito mais rápido que o de usinas convencionais a combustível fóssil
- A bateria não produz eletricidade nova; ela devolve, quando necessário, a eletricidade absorvida da rede
- O ideal é carregá-la nos períodos em que há geração renovável suficiente
- Em horários em que a eletricidade é mais necessária, como à noite, ela pode devolver energia barata e limpa
Construção atrasada e projeto de substituição do carvão
- A bateria Kapolei originalmente deveria entrar em operação antes da aposentadoria da usina a carvão
- A COVID-19 causou problemas de entrega em toda a indústria de baterias para redes elétricas, e a localização remota de Kapolei, no meio do Pacífico, aumentou as dificuldades
- No verão de 2021, a Plus Power esperava concluir o projeto no fim de 2022, mas a conclusão real levou mais um ano
- Ainda assim, Kapolei foi conectada à rede antes de outros grandes projetos solares com baterias planejados para substituir a geração da usina a carvão por energia limpa
Funções da rede assumidas diretamente pela bateria
- O valor central que a antiga usina a carvão fornecia a Oahu tinha três componentes
- Energia: a quantidade de eletricidade em si
- Capacidade: potência que pode ser fornecida imediatamente quando necessário
- Serviços de rede: funções que mantêm a rede elétrica estável
- Kapolei substitui diretamente capacidade e serviços de rede
- Fornece capacidade nominal no mesmo nível da potência máxima da usina a carvão
- Foi programada para oferecer os serviços necessários para manter a rede operando dentro da faixa de frequência definida
- Se outra usina parar repentinamente ou se a geração solar exceder o consumo, a frequência da rede pode sair da faixa aceitável
- Kapolei responde a desvios em tempo real com inércia sintética, a primeira linha de defesa
- Se a situação piorar além de um limite especificado, a resposta rápida de frequência atua como segunda linha de defesa
A produção de energia é complementada junto com a solar
- A capacidade de armazenamento de Kapolei é de 565 MWh, insuficiente para substituir diretamente a produção de energia da usina a carvão
- Em vez disso, ela opera junto com o setor solar ativo de Oahu para complementar o papel energético antes desempenhado pela usina a carvão
- Segundo a modelagem da Hawaiian Electric, o Kapolei Energy Storage pode reduzir o curtailment de energia renovável em cerca de 69% nos primeiros cinco anos
- Redução de curtailment: {p:69}
- A eletricidade limpa excedente que poderia ser desperdiçada passa a poder entrar na rede
Black start e papel na religação
- A Hawaiian Electric também solicitou a Kapolei a capacidade de black start
- Se a rede for totalmente desligada por um desastre como um ciclone ou terremoto, é necessária uma fonte de energia para reiniciá-la
- A bateria Kapolei foi programada para manter parte da energia em reserva para esse fim
- A Plus Power posicionou a instalação perto de uma subestação conectada a três outras usinas
- A disposição permite que a bateria atue como um “jump start” para outras usinas
A responsabilidade maior que o Havaí colocou nas baterias
- O Havaí vem criando exemplos pioneiros na transição energética, incluindo a ampla adoção de solar residencial e a primeira usina solar com baterias em escala de concessionária em Kauai
- Quando o aumento das renováveis e a aposentadoria de usinas a combustível fóssil passam de certo nível, apenas adicionar eólica, solar e baterias deixa de ser suficiente
- Tecnologias limpas operadas por inversores com controle digital precisam assumir não só o fornecimento de eletricidade, mas também a manutenção da rede elétrica
- Há baterias que fornecem serviços de frequência em outras regiões, e algumas baterias são maiores que Kapolei
- Porém, são raros os casos que combinam capacidade de pico, resposta de frequência, inércia sintética e capacidade de reinicialização da rede em uma única instalação de baterias de grande escala, como Kapolei
- Kapolei sozinha responde por cerca de 17% da capacidade de pico de Oahu
- As instalações de baterias da rede da Califórnia ultrapassaram 5.000 MW, mas isso representa cerca de 7,6% da capacidade nominal da rede estadual
Por que a inércia sintética é importante
- Usinas convencionais fornecem passivamente inércia por meio da massa girante das turbinas, estabilizando a frequência da rede
- No passado, como operar uma usina já trazia inércia junto, havia pouca necessidade de defini-la e remunerá-la como um serviço separado
- A rede atual está migrando para um modelo que maximiza a energia renovável barata quando ela está disponível e queima combustível quando ela é insuficiente
- Usinas térmicas precisam permanecer girando para fornecer inércia
- No continente, há casos em que a geração renovável é limitada para manter antigas usinas a carvão operando por causa desses serviços de rede
- Baterias avançadas fornecem uma versão sintética da inércia por meio da programação dos inversores
- Podem ser uma alternativa mais econômica, evitando emissões de carbono desnecessárias
- Reagem de forma mais rápida e precisa, ajustando-se bem a redes com maior variação na geração renovável
Posição na transição para uma rede elétrica limpa
- As metas climáticas de longo prazo dos EUA exigem a retirada gradual dos combustíveis fósseis da rede elétrica
- Hidrelétricas e usinas nucleares fornecem inércia útil à rede sem emissões de carbono, mas não estão em trajetória de crescimento
- Kapolei é um dos primeiros casos reais de transferência de funções críticas da rede elétrica antes desempenhadas por usinas a combustível fóssil para uma instalação de energia limpa
- O tipo de serviço de rede realizado por Kapolei precisará ser expandido em longo prazo por todos os EUA
1 comentários
Opiniões no Hacker News
Um fato curioso: os dutos de resfriamento da descarga daquela antiga usina levavam ao mar, criando um ambiente com temperatura da água mais alta e vida marinha abundante, e o local também é famoso para mergulho e snorkeling. Chega a ser chamado de Electric Beach: https://www.snorkeling-report.com/spot/snorkeling-electric-b...
Morei lá por alguns anos e tentei fazer snorkeling, mas por causa do meu medo de estruturas artificiais submersas não consegui entrar mais do que alguns pés na água. Ver aqueles dutos grandes e sinistros me assustou de verdade
https://www.reddit.com/media?url=https%3A%2F%2Fi.redd.it%2Fe...
Alguns números interessantes ficaram meio enterrados no texto; para contextualizar, a capacidade de armazenamento é de 565 MWh, a potência instantânea é de 185 MW, e o financiamento do projeto foi de US$ 219 milhões
A tarifa residencial de eletricidade no Havaí é de cerca de US$ 0,415 por kWh, enquanto a média dos EUA fica em torno de US$ 0,162
https://www.energy-storage.news/global-bess-deployments-to-e...
A conta fecha começando por lugares onde a eletricidade é cara, ou onde as baterias conseguem capturar a receita que geradores térmicos ganhavam. Isso inclui serviços auxiliares da rede, inércia sintética e black start; conforme o custo das baterias cai, dá para expandir para faixas de custo cada vez menores. É preciso pensar em nível de sistema, reduzindo as horas de operação dos geradores térmicos e piorando sua viabilidade econômica
Com baterias, ela pode ser usada mais tarde, como à noite, aumentando o fator de utilização das instalações renováveis existentes. Com baterias residenciais e baterias de veículos elétricos na mistura, também se torna possível ajustar a demanda, carregando quando a geração renovável dispara e os preços caem. Isso ainda não é usado em grande escala, mas, tecnicamente, veículos elétricos também podem devolver energia à rede
Essas baterias não são para armazenamento de longo prazo; seu objetivo é estabilizar a rede e lidar com picos e quedas curtas de oferta e demanda. Diferentemente de usinas a carvão e a gás, elas podem reagir em milissegundos e são custo-eficientes para esse uso. Ligar uma usina a carvão ou gás é caro e lento, e ela custa dinheiro mesmo parada
Mesmo que uma usina a carvão pudesse fornecer a chamada carga de base, isso só vale se ela operar 24 horas por dia, 365 dias por ano. Na prática, ela pode ficar parada por semanas ou meses para manutenção e reparos, e o mesmo vale para usinas nucleares; esperar que isso não aconteça nunca foi um bom planejamento
Costuma-se supor que o armazenamento de longo prazo é necessário para compensar a falta de carga de base, mas carga de base também é um conceito bem nebuloso até ser expressa em GWh e GW. O Havaí parece estar mostrando que a quantidade de armazenamento de longo prazo necessária pode ser muito menor do que alguns imaginam. Com o tempo, provavelmente vão adicionar mais eólica, solar e baterias, mas, se a modelagem e a análise foram bem feitas, a configuração atual pode ser suficiente
No longo prazo, acho que isso vai reduzir bastante as tarifas de eletricidade da ilha. Aumentar a capacidade solar é muito mais barato do que continuar operando a usina a carvão, e, com essa bateria, é possível instalar mais solar e usar a energia à noite. Não sei quanta energia eólica existe no Havaí, mas parece ser um lugar com bastante vento
Por curiosidade, fui procurar os planos dos Netherlands, onde moro. Governos no mundo todo, incluindo os Netherlands, com 17 milhões de habitantes, devem começar a instalar baterias em escala de rede elétrica nos próximos anos, porque sem elas a transição para energias renováveis fica praticamente difícil
O governo Dutch reservou 400 milhões de euros, e espera-se que esse valor instale de 160 MW a 380 MW. É de 1 a 2 vezes o porte da usina de baterias do Hawaii. Mas a operadora da rede nacional de transmissão quer reduzir as tarifas de conexão para incentivar 2 a 5 GW de nova capacidade de baterias até 2030, o que é uma escala bastante grande
Acho que novas instalações parecidas vão acontecer em quase todos os lugares
https://www.pv-magazine.com/2023/10/09/netherlands-allocates...
Nos Netherlands, provavelmente o fornecimento de energia eólica será a variável-chave, e, normalmente, nesses casos é necessário armazenamento na escala de semanas. Não sei bem qual tecnologia é a melhor hoje nessa faixa de tempo
Parece mais provável que seja a primeira opção
Dois dias atrás, algumas usinas foram danificadas por uma tempestade, e a carga restante das baterias também ficou muito baixa; como faltou eletricidade em toda a ilha, houve apagões rotativos
https://www.hawaiianelectric.com/update-rolling-oahu-outages...
Ao substituir usinas movidas a combustíveis fósseis por energia renovável e baterias, a questão central é encontrar um sistema de baterias com capacidade grande o bastante para armazenar energia por um período suficientemente longo e substituir a solar/eólica quando estiver escuro e sem vento.
Nos estudos que vi, o deslocamento temporal necessário era em escala sazonal, e a capacidade necessária ficava inviável em termos de custo.
Talvez os padrões climáticos do Hawaii sejam estáveis o suficiente para eliminar a necessidade de capacidade auxiliar de geração de base. O artigo também dá a entender que a capacidade total da usina a carvão era muito maior que a capacidade de armazenamento da bateria.
Como diz que “com 565 MWh de capacidade de armazenamento, a bateria não consegue substituir diretamente a produção de energia da usina a carvão…”, não fica claro quanto de capacidade foi de fato reduzido com essa transição. Também pode haver outras mudanças no portfólio de geração que o artigo não aborda.
Se você desligar o hidrogênio, também dá para ver quanto o custo sobe ao lidar com o armazenamento apenas com baterias. Há lugares, como a Alemanha, em que o aumento de custo é grande, e outros, como a India, em que é quase irrelevante.
Se não gostar das premissas de custo, as fontes são indicadas, então dá para ajustá-las e ver como a solução ótima muda.
O que é difícil de entender é a atitude de se agarrar à força a possibilidades e ficar lançando “e se...” mesmo depois de o projeto já estar operando com sucesso. Fico me perguntando o que mais seria preciso ver. Será que só vão se convencer depois de 50 anos funcionando?
Tony Seba fez algumas apresentações sobre esse tema, defendendo a ideia de que a energia renovável está ficando tão barata que se pode construir capacidade em quantidade suficiente para que a produção mínima cubra a demanda em quase todos os dias. Ele também parece pressupor upgrades razoáveis na rede elétrica.
Marc Z Jacobsen fez estudos bastante detalhados sobre a transição para 100% de energia renovável e, em geral, não presume melhorias tecnológicas, então suas estimativas tendem a ser conservadoras. Não me lembro de ele dizer que armazenamento sazonal seria necessário.
Em regiões frias, incineração de lixo com aquecimento distrital, aquecimento distrital geotérmico e algumas usinas nucleares adicionais para carga de base podem ser soluções. Na Scandinavia, a incineração de lixo está se tornando comum, e até captura de carbono pode ser acoplada, como na usina de Oslo. UK, Sweden e Finland também estão construindo usinas nucleares.
Também é preciso considerar que, para chegar a carbono zero, será necessário produzir quantidades enormes de hidrogênio, amônia, eletrocombustíveis, biocombustíveis, bio-óleo e biocarvão. Também vi uma notícia de que uma empresa Danish iniciou a operação comercial de um grande reator de micro-ondas que produz bio-óleo e carvão de forma eficiente a partir de lodo de esgoto.
Todas essas soluções implicam uma capacidade considerável de armazenamento. Se você produz hidrogênio em massa, passa a haver armazenamento de amortecimento tanto do lado da produção quanto do consumo, e a produção também pode ser ajustada se necessário.
Usinas de hidrogênio existentes também devem permanecer como backup. Há discussões sérias em Norway sobre converter de gás para hidrogênio os gasodutos de gás natural que vão para a Europe. A ideia seria começar usando hidrogênio produzido com captura e armazenamento de carbono e, depois, migrar para hidrogênio verde baseado em eólica offshore.
A eólica offshore também está ficando cada vez mais comum. Quando se constroem turbinas eólicas offshore muito grandes, a produção é bastante estável.
Por isso, vejo a combinação solar+eólica no norte da Europa como algo próximo de um beco sem saída, como se observa na Germany. No inverno há pouquíssima luz solar, e períodos quase sem vento podem durar semanas; para usar uma estratégia de capacidade excedente, talvez fosse preciso instalar cerca de 10 vezes mais solar, o que tornaria o custo inviável.
Fui pesquisar por curiosidade e, hoje, a energia geotérmica fornece 10% a 15% da demanda de energia do Hawaii. Como é um lugar com atividade vulcânica intensa, parece que poderia aumentar ainda mais.
Para comparar, na Iceland a geração geotérmica responde por mais de 50% da produção de eletricidade.
Fico curioso se a diferença se deve a razões físicas/geológicas ou a outros fatores.
Dizem que uma das vantagens/funções desse sistema de baterias é a estabilização da rede elétrica, isto é, substituir a inércia dos geradores rotativos para manter uma 60 Hz estável. Fico curioso se isso será usado para tornar a frequência da rede elétrica mais estável [1].
E me pergunto se, com isso, estimar o momento de uma gravação pelo zumbido da rede elétrica poderia ficar difícil ou impossível [2].
[1]: http://leapsecond.com/pages/mains/
[2]: http://hummingbirdclock.info/about
Não fica imediatamente claro se baterias fornecem ou não essa função. Sei que há projetos que introduzem enormes volantes de inércia e motogeradores, e também casos em que usinas aposentadas são mantidas girando em vazio. Este último caso pode ter a ver com controle de potência ativa e reativa.
Fico curioso se essas soluções são apenas alternativas de tecnologia mais simples do que baterias, ou se há características presentes apenas em geradores rotativos que são difíceis de reproduzir.
Eu achava que o Hawaii funcionava majoritariamente com diesel
https://www.eia.gov/state/?sid=HI#tabs-4
Parece que o carvão representava algo em torno de 12% do consumo de energia em 2021. É uma boa mudança, mas ainda há um longo caminho para eliminar todas as fontes de eletricidade muito sujas e caras no Hawaii
Baterias de armazenamento para a rede elétrica não só já são viáveis hoje, como também são muito atraentes em termos de custo. Só que o motivo não é o que normalmente se imagina. Não é para servir de lugar onde jogar o excedente de energia verde, mas para reduzir a necessidade de usinas de pico
A geração normalmente tem usinas de carga de base, que ficam sempre ligadas, e usinas de pico, que podem ser acionadas quando a demanda está alta. Usinas de pico custam muito mais por unidade de energia produzida e também queimam muito mais combustível. Por isso, sistemas de armazenamento em rede podem fazer sentido até em uma rede elétrica 100% movida a combustíveis fósseis
A grande exceção é quando há muita geração hidrelétrica. Hidrelétricas podem funcionar como usinas de pico ao passar mais água pelas turbinas, o que reduz o efeito do armazenamento em rede. Ainda assim, depende das características da hidrelétrica e da rede, e mesmo com muita hidrelétrica há casos em que continua fazendo sentido
https://en.wikipedia.org/wiki/Peaking_power_plant
Regulação de frequência é uma área em que baterias de armazenamento para a rede são especialmente boas, e pode ser muito cara de alcançar com usinas convencionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Ancillary_services_(electric_p...
Claro que o ponto de troca é o alto investimento inicial de capital necessário para construir armazenamento em rede
Pode soar cínico, mas acho que todos os estados deveriam manter pelo menos 1 usina a carvão em operação permanente para preservar a tecnologia e a cadeia de suprimentos. O carvão é um dos recursos naturais mais abundantes dos EUA. Em uma emergência nacional, deveríamos poder contar com ele, mas não dá para fazer isso se nos colocarmos sem saída
A geração solar costuma ser muito mais distribuída do que um pequeno número de enormes usinas a carvão
Só olhando para a solar já é assim, e há muitas outras formas de gerar eletricidade, como eólica, ondas e geotérmica. Isso é diversificação, e provavelmente também seria mais fácil de defender
Acho que depender de uma única fonte de energia é que é se encurralar sem saída e beber a própria tinta
Talvez não seja a primeira vez que o continente impõe exigências incômodas ao território. O Jones Act vem à mente
https://www.hawaiianelectric.com/clean-energy-hawaii/our-cle...