Um crescente corpo de pesquisa demonstrou que sistemas de energia de alta energia com boa relação custo-benefício são possíveis, mas os custos aumentam à medida que os sistemas se aproximam de eletricidade 100% livre de carbono - o que ficou conhecido como o "último 10% problema".
O aumento nos custos é em grande parte impulsionado por um descompasso sazonal entre o tempo de geração variável de energia renovável e a demanda. Atender a demanda de pico é desafiador e caro para todos os sistemas de energia, mas resolver o problema de incompatibilidade sazonal para sistemas de energia de alta energia renovável pode exigir tecnologias que ainda precisam ser implantadas em grande escala. Isso torna seus custos e requisitos pouco claros.

Para ajudar a avançar em direção a possíveis soluções para esse desafio, uma equipe de pesquisadores do National Renewable Energy Laboratory (NREL) estudou as compensações de seis possíveis estratégias tecnológicas para obter de 90% a 100% de eletricidade livre de carbono nos Estados Unidos. Este trabalho é publicado em um Joule artigo e pode ajudar a informar a tomada de decisões hoje.

"Nenhuma das estratégias é perfeita e muita incerteza permanece, mas o estudo destaca os principais desafios com os últimos 10% e examina todas as principais opções de tecnologia", disse Trieu Mai, analista do NREL e principal autor do estudo. “Mais pesquisa e desenvolvimento serão importantes para se aproximar de uma solução clara para os últimos 10% e progredir os Estados Unidos em direção a um setor de energia descarbonizado”.

O que sabemos até agora sobre o último desafio de 10%

O NREL vem estudando uma variedade de questões relacionadas à obtenção de 100% de geração renovável nos Estados Unidos.

Em um Joule anterior artigo, o NREL delineou os desafios técnico-econômicos de alcançar 100% de energias renováveis ​​em todas as escalas de tempo. O estudo explorou dois tipos de desafios:um relacionado à manutenção econômica do equilíbrio entre oferta e demanda e outro desafio relacionado ao projeto de redes tecnicamente confiáveis ​​e estáveis ​​usando recursos baseados em inversores, como energia eólica e solar.

Em um estudo de acompanhamento, o NREL usou recursos de modelagem de última geração para entender possíveis caminhos e custos do sistema de transição para uma rede elétrica 100% renovável. Resultados, publicados em outro Joule artigo, mostram que os custos são significativamente mais baixos se houver uma fonte econômica de capacidade firme – recursos que podem fornecer energia durante períodos de menor geração eólica e solar, demanda extremamente alta e eventos não planejados, como interrupções de linhas de transmissão. Outros recursos além do armazenamento eólico, solar e diurno ou flexibilidade de carga podem ser importantes para superar os últimos percentuais para uma rede elétrica 100% renovável.

No Los Angeles 100% Renewable Energy Study (LA100), o NREL usou vários modelos para examinar quais recursos poderiam ser usados ​​para ajudar a atender os últimos 10% e manter a confiabilidade da cidade de Los Angeles. O NREL também concluiu recentemente um estudo de referência sobre a obtenção de eletricidade 100% livre de carbono até 2035. A análise mostra que existem vários caminhos para atingir a meta em que os benefícios ambientais e sociais excedem os custos.

Este último Joule O artigo baseia-se nos estudos de rede de energia de alta geração renovável do NREL, explorando compensações de possíveis soluções técnicas que podem ser implementadas para os últimos por cento.

Seis estratégias para os últimos 10%

A solução tecnológica ideal para os últimos 10% tem três características principais. Primeiro, a solução ideal tem crédito de alta capacidade para que a capacidade esteja disponível durante períodos de alto estresse e possa suportar a adequação de recursos - um dos "três Rs de confiabilidade do sistema de energia" que deve ser bem-sucedido para um sistema de energia seguro e confiável. Em segundo lugar, a solução ideal tem custos de capital relativamente baixos porque não será usada com frequência. E terceiro, ele depende de recursos amplamente disponíveis e pode ser implantado em escala. O NREL pesquisou seis estratégias de tecnologia que têm o potencial de atender às três características principais.

1. Energia renovável variável, transmissão e armazenamento diurno

Uma estratégia possível para alcançar os últimos 10% depende das tecnologias existentes que estão sendo implantadas no momento. Essa estratégia cria mais energia renovável variável, transmissão e armazenamento diurno (menos de cerca de 24 horas). Nesta opção, a energia renovável variável e a capacidade de transmissão são dimensionadas para atender à demanda durante períodos estressantes diários na rede, com armazenamento preenchendo lacunas de fornecimento por hora e reduzindo o excesso de energia renovável variável (saiba mais sobre redução em um vídeo explicativo do NREL).

Essa estratégia pode ser mais competitiva em termos de custos se houver maior transmissão de longa distância para transportar energia renovável variável de alto valor para os centros de demanda e se as tecnologias eólica e solar continuarem a melhorar. No entanto, essa abordagem pode ser mais difícil se o uso da terra eólica e solar e as restrições do local aumentarem ao longo do tempo – outro tópico que o NREL vem estudando, incluindo o recente lançamento de um novo conjunto de dados abrangente de ordenanças locais para a localização de projetos de energia eólica e solar.

2. Outras energias renováveis

Outra estratégia possível para os últimos 10% usa geotérmica, energia hidrelétrica e biomassa – tecnologias que podem desempenhar papéis importantes em um setor de energia com emissão zero. Essas tecnologias não dependem de recursos solares e eólicos variáveis ​​e podem potencialmente superar a incompatibilidade sazonal. No entanto, a disponibilidade de recursos, especialmente em locais com alta demanda de eletricidade, pode restringir sua utilização apenas a regiões selecionadas. Esses recursos também têm custos de capital relativamente altos que podem ser economicamente desafiadores como uma última estratégia de 10%.

A geração baseada em biomassa pode ser outra opção para produzir eletricidade renovável nos últimos 10%. Esta opção tem um custo de capital relativamente baixo, mas há incertezas e restrições no fornecimento de matéria-prima estável e sustentável e no custo de conversão de biomassa.

3. Nuclear e fóssil com captura de carbono

Combustíveis nucleares e fósseis com captura e armazenamento de carbono (CCS) são amplamente citados como recursos potencialmente importantes em um sistema de eletricidade descarbonizado porque muitas vezes são contados de forma confiável ao longo do ano. As plantas Fósseis CCS ainda não foram implantadas em escala, mas alguns estudos encontram um potencial de implantação significativo.

No entanto, essa estratégia vem com desafios:implantação recente limitada, incertezas de custo e considerações ambientais e de segurança – e o alto custo de capital para baixa utilização pode criar barreiras econômicas.

4. Armazenamento sazonal

O armazenamento sazonal refere-se ao uso de eletricidade para produzir um combustível armazenável que pode ser usado para geração por longos períodos de tempo, mesmo em estações inteiras do ano. Hidrogênio ou outros combustíveis derivados de hidrogênio são atualmente as opções mais promissoras para armazenamento sazonal. A conversão de hidrogênio em eletricidade pode ser feita usando células de combustível ou tecnologias de combustão, que estão sendo convertidas em hidrogênio. Essas opções de geração de eletricidade alimentadas por hidrogênio podem ter baixos custos de capital no futuro e ser viáveis ​​como últimas estratégias de 10%. As principais incertezas com essa estratégia incluem a disponibilidade da infraestrutura de fornecimento e entrega de combustível (hidrogênio).

5. Remoção de dióxido de carbono

As tecnologias de remoção de dióxido de carbono podem compensar as emissões das tecnologias de geração de energia que emitem carbono, reduzindo o carbono atmosférico. Essa última estratégia de 10% é única porque aproveita outros ativos de geração para dar suporte à adequação de recursos na rede.

Embora haja um valor único com as tecnologias de remoção de dióxido de carbono, esta última opção de 10% tem desafios de implantação. Muito pouca remoção de dióxido de carbono foi implantada ainda em todo o mundo, e os custos futuros da tecnologia permanecem incertos.

6. Recursos do lado da demanda

Os recursos do lado da demanda, também chamados de resposta à demanda ou flexibilidade de demanda, são uma solução exclusiva dos últimos 10% em comparação com as outras cinco estratégias estudadas.

Os recursos do lado da demanda reduzem o consumo de eletricidade durante períodos de estresse do sistema e ajudam a evitar investimentos em nova capacidade de pico. Por meio de agendamento flexível ou interrupção do consumo de eletricidade, eles também podem reduzir os custos operacionais ou ser usados ​​para importantes serviços de confiabilidade da rede. Os custos de capital para controles do lado da demanda e equipamentos de comunicação podem ser baixos, e os custos operacionais diretos são modestos.

No entanto, a aplicação de opções do lado da demanda como uma estratégia de 10% dos últimos 10% exige que os recursos estejam disponíveis de forma confiável por longos períodos de vários dias. A escala de resposta necessária em dias de eventos extremos pode exceder o potencial de resposta à demanda, e a flexibilidade de novas cargas eletrificadas é incerta.

“Dados os custos atuais da tecnologia e a prontidão, reduções significativas de emissões podem ocorrer por meio da implantação acelerada de energia eólica, solar, armazenamento diurno, transmissão e outras tecnologias de energia renovável”, disse Paul Denholm, analista do NREL e coautor do estudo. "Outras tecnologias também podem desempenhar um grande papel se se tornarem competitivas em termos de custo e amplamente disponíveis. Continuaremos a estudar essas possíveis soluções, mas, por enquanto, o caminho para cerca de 90% de eletricidade livre de carbono está cada vez mais claro. 100% requer primeiro atingir 90%." + Explorar mais

Vídeo:como ter capacidade de energia renovável mais do que suficiente pode tornar a rede mais flexível