Os preços da energia renovável caíram mais de 70% na última década, levando mais americanos a abandonar os combustíveis fósseis por fontes de energia mais verdes e menos poluentes. Mas, à medida que a energia eólica e solar continuam a fazer incursões, os operadores da rede podem ter que planejar grandes mudanças na disponibilidade.
O alerta vem de Upmanu Lall, professor da Columbia Engineering e da Columbia Climate School, que recentemente voltou seus olhos do uso sustentável da água para as renováveis ​​sustentáveis ​​no esforço para emissões líquidas de carbono zero.

“Os projetistas de sistemas de energia renovável precisarão prestar atenção às mudanças nos padrões eólicos e solares ao longo de semanas, meses e anos, da mesma forma que os gerentes de água fazem”, disse ele. "Você não será capaz de gerenciar a variabilidade como esta com baterias. Você precisará de mais capacidade."

Em um novo estudo de modelagem na revista Padrões , Lall e Columbia Ph.D. estudante Yash Amonkar mostram que o potencial solar e eólico variam muito ao longo de dias e semanas, sem mencionar meses a anos. Eles se concentraram no Texas, que lidera o país na geração de eletricidade a partir da energia eólica e é o quinto maior produtor solar. O Texas também possui uma rede independente que é tão grande quanto muitos países', disse Lall, tornando-se um laboratório ideal para mapear a promessa e o perigo dos sistemas de energia renovável.

Com base em 70 anos de dados históricos de energia eólica e solar, os pesquisadores construíram um modelo de IA para prever a probabilidade de uma "seca" em escala de rede, quando a produção diária de energias renováveis ​​​​caiu abaixo de um limite desejado. Abaixo de um limite estabelecido no percentil 30, quando cerca de um terço de todos os dias são dias de baixa produção, os pesquisadores descobriram que o Texas pode enfrentar uma seca diária de energia por até quatro meses seguidos.

As baterias seriam incapazes de compensar uma seca dessa duração, disse Lall, e se o sistema dependesse apenas da energia solar, a seca poderia durar o dobro – por oito meses. “Essas descobertas sugerem que os planejadores de energia terão que considerar formas alternativas de armazenar ou gerar eletricidade, ou aumentar drasticamente a capacidade de seus sistemas renováveis”, disse ele.

Antecipando futuras secas de 'energia' no Texas e em todo o território continental dos Estados Unidos

A pesquisa começou há seis anos, quando Lall e um ex-aluno de pós-graduação, David Farnham, examinaram a variabilidade eólica e solar em oito aeroportos dos EUA, onde os registros meteorológicos tendem a ser mais longos e detalhados. Eles queriam ver quanta variação poderia ser esperada sob uma rede hipotética de 100% de energia renovável.

Os resultados, que Farnham publicou em seu Ph.D. tese, não foram uma surpresa. Farnham e Lall descobriram que o potencial solar e eólico, como as chuvas, é altamente variável com base na época do ano e no local onde as turbinas eólicas e os painéis solares foram instalados. Em oito cidades, eles descobriram que o potencial de energia renovável aumentou e caiu da média de longo prazo em até um terço em algumas temporadas.

"Criamos o termo secas de 'energia' porque um ciclo de 10 anos com essa variação da média de longo prazo seria visto como uma grande seca", disse Lall. "Esse foi o início do trabalho de seca de energia."

No estudo atual, Lall optou por ampliar o Texas, um estado bem dotado de sol e vento. Lall e Amonkar descobriram que secas persistentes de energia renovável podem durar até um ano, mesmo se os geradores solares e eólicos estivessem espalhados por todo o estado. A conclusão, disse Lall, é que as energias renováveis ​​enfrentam um problema de armazenamento que só pode ser resolvido de forma realista com a adição de capacidade ou fontes de energia adicionais.

“Em um mundo totalmente renovável, precisaríamos desenvolver combustível nuclear ou combustível de hidrogênio, ou reciclagem de carbono, ou adicionar muito mais capacidade de geração de energias renováveis, se quisermos evitar a queima de combustíveis fósseis”, disse ele.

Em épocas de baixa pluviosidade, os gestores de água mantêm a água fresca fluindo através da torneira através de reservatórios municipais ou aquíferos subterrâneos. Os sistemas de energia solar e eólica não têm backup equivalente. As baterias usadas para armazenar o excesso de energia solar e eólica em dias excepcionalmente claros e tempestuosos mantêm a carga por apenas algumas horas e, no máximo, alguns dias. As usinas hidrelétricas fornecem um amortecedor potencial, disse Lall, mas não por tempo suficiente para levar o sistema através de um longo período de seca de sol e vento intermitentes.

"Não vamos resolver o problema construindo uma rede maior", disse ele. "Os operadores de redes elétricas têm uma meta de 99,99% de confiabilidade, enquanto os gerentes de água lutam por 90% de confiabilidade. Você pode ver que jogo desafiador será para o setor de energia e quão valiosas previsões sazonais e mais longas podem ser."

Na próxima fase da pesquisa, Lall trabalhará com os professores de engenharia da Columbia Vijay Modi e Bolun Xu para ver se eles podem prever tanto secas de energia quanto "inundações", quando o sistema gera um excedente de energias renováveis. Armados com essas projeções, eles esperam prever a alta e a queda dos preços da energia.