A peça de infraestrutura energética mais crítica dos Estados Unidos – a rede elétrica – está mais vulnerável do que nunca. Os motivos são duplos:uma mudança no mix de fontes de energia está afetando a estabilidade da rede, combinada com um aumento nos desastres naturais. Quando parte da grade se apaga, pode causar um efeito cascata em regiões inteiras se não for corrigido rapidamente.
É aí que a energia hidrelétrica desempenha um papel fundamental, de acordo com um novo estudo liderado pelo Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) que quantificou a contribuição da energia hidrelétrica para a estabilidade da rede na região oeste dos Estados Unidos. Quando outras fontes de energia se apagam, a energia hidrelétrica pode aumentar rapidamente, recuperar os déficits e estabilizar a rede quase instantaneamente.

E os déficits estão se tornando mais comuns – as interrupções causadas apenas pelo clima extremo quadruplicaram nos últimos cinco anos.

“O que funcionou para a antiga rede pode não funcionar no futuro”, disse Abhishek Somani, cientista do PNNL que liderou o estudo de laboratório multinacional. "Durante anos, as operadoras usaram energia hidrelétrica para estabilidade da rede, mas a extensão das contribuições da energia hidrelétrica não era conhecida além dessa esfera - até agora."

Controle de cruzeiro para uma grade resiliente

Em 2003, em uma tarde quente de agosto em Ohio, uma árvore coberta de vegetação roçou uma linha de alta tensão e causou um desligamento, conhecido como falha. Mais três falhas ocorreram quando outras linhas pegaram a folga e ficaram sobrecarregadas. Logo, essa interrupção regional desencadeou uma cascata de falhas de energia de Michigan a Nova York, tornando-se o maior apagão da história dos Estados Unidos e deixando 50 milhões de pessoas no escuro.

No entanto, em Nova York, a energia hidrelétrica entrou em ação e estava produzindo quase metade da eletricidade total do estado dentro de seis horas após a perda de energia. O tamanho de duas das maiores barragens de Nova York, Niagara e St. Lawrence-FDR, ajudou o estado a resistir ao choque da interrupção que desativou outros tipos de usinas.

“Se uma grande usina de energia explodir ou um incêndio florestal queimar uma linha de transmissão, isso altera a frequência de operação da rede e pode causar uma queda abaixo dos 60 Hz típicos”, disse Somani. "Se não for corrigido em segundos, pode levar a interrupções generalizadas".

A resposta de frequência é mais ou menos como usar o controle de cruzeiro de um carro em uma subida. O motor gira para manter a velocidade. Da mesma forma, quando parte da rede escurece inesperadamente, outras usinas de energia aceleram para preencher a energia perdida e manter a frequência em 60 Hz. Isso acontece em segundos. Não notamos quedas de frequência porque a inércia de geradores rotativos, motores industriais ou turbinas mantém as luzes acesas enquanto a rede volta à velocidade máxima para atender à demanda de energia.

Durante décadas, a resposta de frequência de fontes de energia convencionais, como carvão, gás e usinas nucleares, proporcionou estabilidade geral. Mas tudo isso está mudando.

No caminho para a descarbonização, um grande desafio com a revolução renovável é manter a estabilidade da rede, já que a energia eólica e solar atualmente não contribuem com a resposta de frequência. Embora a tecnologia exista, não há incentivos regulatórios ou financeiros para que as operadoras de energia solar ou eólica contribuam com a resposta de frequência de volta à rede.

O papel da hidreletricidade em uma rede resiliente

Em abril de 2018, na Floresta Nacional de Angeles, Califórnia, uma velha emenda de linha elétrica quebrou. A linha caiu na torre, causando uma falha e uma queda de energia que desligou uma usina solar. Isso causou uma queda repentina na frequência de toda a rede. A energia hidrelétrica em todo o Ocidente respondeu instantaneamente para neutralizar essa mudança de frequência e contribuiu com 60% da resposta para interromper uma potencial queda livre de energia.

"Sempre soubemos que a energia hidrelétrica fornecia uma resposta, mas a extensão disso foi surpreendente", disse Somani, cuja equipe analisou eventos como o da Floresta Nacional de Angeles.

De olho na Interconexão Ocidental, a vasta passagem de energia que alimenta o oeste dos Estados Unidos, a equipe de pesquisa demonstrou que a energia hidrelétrica já está posicionada para estabilizar a rede quando a energia cai. Usando simulações e eventos históricos, eles descobriram que as contribuições da energia hidrelétrica para a resposta de frequência variavam de 30 a 60 por cento.

Embora a energia hidrelétrica forneça esse serviço, atualmente não há mecanismos de compensação.

"Não é fácil colocar um preço no valor da resposta de frequência, mas no futuro provavelmente teremos que fazer isso", disse Somani.

Simulando ondas de calor, terremotos e muito mais

Para analisar o papel da energia hidrelétrica sob uma série de eventos extremos, a equipe de pesquisa desenvolveu modelos para simular o papel que a energia hidrelétrica poderia desempenhar nesses cenários. Estes incluíam eventos climáticos, como uma onda de calor ou uma onda de frio, bem como eventos compostos, como secas.

Por exemplo, se houvesse uma interrupção inesperada de uma frota de usinas de gás natural na Western Interconnect, os resultados da simulação mostraram que a energia hidrelétrica poderia intervir e fornecer 50% de resposta de frequência – embora contribua com cerca de um quarto da energia total. Essa resposta é crítica, pois uma interrupção generalizada das usinas de gás natural teria efeitos cascata de longo alcance na rede e poderia desencadear uma interrupção muito pior.

Outra simulação mostrou que, se duas unidades da usina nuclear de Palo Verde, no Arizona, ficassem offline e parassem de produzir energia, a energia hidrelétrica poderia fornecer mais resposta de frequência do que todas as outras fontes de energia combinadas – embora produza apenas cerca de 30% da energia naquela região.

"É bem sabido que a energia hidrelétrica produz energia limpa. O que não era tão conhecido, quantificado ou valorizado, é a extensão de seu papel em garantir a resiliência da rede", disse Somani.

A equipe de pesquisa, liderada por Somani e composta por cinco laboratórios nacionais, desenvolveu uma estrutura de análise, que pode ser usada como um modelo para avaliar o papel da energia hidrelétrica em cenários futuros da rede. No futuro, eles também poderão modelar interrupções causadas por outros eventos extremos, como terremotos e incêndios florestais.

Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Tecnologias de Energia Hídrica do Departamento de Energia como parte da Iniciativa HydroWIRES, que visa esclarecer a evolução do papel da energia hidrelétrica como parte de uma infraestrutura de rede moderna e liberar seu potencial para otimizar as operações da rede.

"Contribuições da Hydropower para a Resiliência da Rede" foi liderada pelo PNNL, juntamente com o Argonne National Laboratory, o Idaho National Laboratory, o National Renewable Energy Laboratory e o Oak Ridge National Laboratory.