Esta mudança fundamental — a descentralização da geração de electricidade — está a alterar o funcionamento das redes eléctricas nacionais e a relação entre as habitações, as empresas e os fornecedores de electricidade. Embora esta transição já esteja em curso, a Agência Internacional de Energia (IEA) estima que mais de 100 milhões de casas terão telhados com painéis solares fotovoltaicos até 2030, um aumento significativo face aos actuais 25 milhões.[1]
Portanto, a descentralização da eletricidade está apenas a começar, e os engenheiros eletrotécnicos enfrentam um cenário de novos desafios e oportunidades. Neste artigo, iremos explorar o cenário em transformação das redes elétricas nacionais e analisar as suas implicações técnicas e sociais.
Fatores que impulsionam a evolução das redes elétricas:
Diversos fatores têm impulsionado a crescente descentralização das redes elétricas. Estes centram-se principalmente nas limitações inerentes às redes elétricas centralizadas e nas vantagens exclusivas da eletricidade descentralizada.
Um fator-chave para a descentralização da eletricidade tem sido o desenvolvimento de fontes de energia renováveis em menor escala. Alcançar a independência energética antes da popularização dos painéis solares e das pequenas turbinas eólicas significava implementar algum tipo de gerador elétrico movido a dínamo, como uma turbina a gás, carvão ou água. Estas turbinas requerem recursos físicos significativos e podem apresentar desafios substanciais em termos de segurança, técnicos e sociais.
Outro factor crucial para a geração descentralizada de electricidade é a crescente necessidade de mais energia eléctrica. A satisfação desta procura crescente com grandes centrais centralizadas exige um planeamento extenso, recursos significativos e um tempo considerável, sendo que as centrais nucleares demoram seis a oito anos a serem construídas e a entrar em funcionamento. [2 ]
Os recursos energéticos descentralizados de menor escala podem ser implementados muito mais rapidamente: as grandes centrais solares demoram normalmente um a três anos a fornecer eletricidade à rede,[3] e as instalações solares residenciais e industriais de menor escala (Figura 1) demoram em média seis a 18 semanas.[4] Em muitos casos, é mais simples e económico satisfazer as crescentes necessidades energéticas com diversas fontes distribuídas de menor escala do que com uma única fonte centralizada.
Imagem 1: As instalações solares comerciais de pequena escala, como a que é apresentada na imagem, podem ser instaladas em poucos dias. (Fonte: anatoliy_gleb/stock.adobe.com)
A redução dos custos e o aumento da eficiência das tecnologias renováveis, aliados à subida dos preços da eletricidade, tornaram a energia solar fotovoltaica e a energia eólica cada vez mais acessíveis. Os avanços nas tecnologias de armazenamento e gestão de energia estão também a aumentar a viabilidade da geração distribuída de energia renovável.
A ascensão da eletricidade descentralizada:
A crescente procura de eletricidade descentralizada decorre de tendências e avanços em grande escala nos campos das energias renováveis, eletrónica de potência e sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS). A inovação na electrónica está a ajudar a criar novas oportunidades para os recursos energéticos descentralizados, aumentando a eficiência, a inteligência e a segurança do sistema, além de reduzir os custos e os problemas de integração.
Desenvolvimento de painéis solares fotovoltaicos e turbinas eólicas
No início dos anos 2000, os painéis solares fotovoltaicos residenciais e comerciais típicos tinham uma eficiência de aproximadamente 15%. [5] Desde então, os avanços no design das células fotovoltaicas e mudanças essenciais na composição dos materiais ajudaram a aumentar esse valor, e hoje os painéis normalmente oferecem cerca de 20% de eficiência. [6]
A Oxford PV, uma subsidiária da Universidade de Oxford, estabeleceu recentemente um recorde mundial com a sua célula solar tandem de perovskita-silício de tamanho comercial, atingindo uma eficiência de 28,6%, um passo significativo que sugere que são possíveis aumentos de eficiência ainda maiores.[7] O aumento da eficiência dos painéis pode ajudar a impulsionar a adoção de recursos energéticos descentralizados, reduzindo a área necessária para uma instalação solar viável (se os custos dos painéis se mantiverem constantes).
As turbinas eólicas também estão a sofrer um desenvolvimento significativo, e as novas turbinas sem pás (Figura 2) podem superar vários desafios que têm sido constantes até agora. A ausência de pás rotativas tradicionais simplifica a integração do sistema nos edifícios e aumenta a segurança operacional, além de reduzir os custos de manutenção e mitigar as colisões com aves. Estas vantagens podem ajudar as empresas a instalar turbinas eólicas em novas áreas, incluindo mais perto de painéis solares ou em áreas residenciais mais pequenas, onde as restrições de planeamento normalmente impedem a instalação de turbinas com pás giratórias.
Imagem 2: A energia eólica sem pás utiliza as oscilações do vento e os alternadores para gerar eletricidade sem a necessidade de pás. (Fonte: VectorMine/stock.adobe.com)
A fábrica da BMW Mini em Oxford acaba de instalar o primeiro sistema de energia estacionário do mundo, da Aeromine Technologies, como complemento às suas instalações solares.[8] Ao modificar o fluxo de ar com os seus perfis aerodinâmicos, a turbina cria uma zona de baixa pressão atrás da unidade, que impulsiona o ar através da sua bomba interna, convertendo a energia eólica em eletricidade.[9]
A Vortex Bladeless, uma startup espanhola, está a desenvolver um sistema sem turbina para gerar eletricidade a partir da energia eólica. Este sistema aproveita o desprendimento de vórtices (a criação de vórtices pelo vento que flui em torno de um cilindro) para induzir oscilações que são convertidas em eletricidade por um alternador eletromagnético interno.[10]
Avanços na Tecnologia de Inversores:
Os avanços na eletrónica de potência, especialmente a adoção de semicondutores de carboneto de silício (SiC), estão a aumentar a eficiência dos inversores, reduzindo tanto as perdas de potência como os requisitos de gestão térmica. Comparativamente aos dispositivos de silício tradicionais, os semicondutores de SiC de banda larga apresentam menores perdas de comutação e maior condutividade térmica e densidade de energia.
Enquanto os inversores de silício mais recentes podem atingir 98% de eficiência, os inversores de SiC podem atingir cerca de 99% de eficiência numa vasta gama de potência, resultando numa redução de 50% nas perdas de potência[11]. Um aumento teórico de 1% aplicado à capacidade solar total da União Europeia, de 259,99 GW, acrescentaria aproximadamente 2,6 GW à produção total: o equivalente a 6,5 milhões de painéis solares de 400 W.[12]
O desempenho térmico melhorado do SiC reduz os requisitos de refrigeração, permitindo aos fabricantes conceber inversores mais pequenos, mais leves e mais fiáveis. Esta redução de tamanho permite a instalação de recursos energéticos descentralizados em ambientes residenciais e comerciais com menos espaço. Estas características, combinadas com o aumento das economias de escala no fabrico de SiC, que reduzem os custos, estão a ajudar a impulsionar o desenvolvimento de inversores solares mais pequenos e mais eficientes, podendo desencadear uma nova onda de adoção da energia solar.
A evolução do BESS
Nos sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS), a transição para baterias de fosfato de ferro-lítio (LFP) aumentou a estabilidade térmica e a vida útil em comparação com as baterias de iões de lítio tradicionais. Além disso, os novos designs modulares, como as baterias montadas em bastidores, permitem instalações mais económicas e escaláveis, oferecendo aos utilizadores residenciais e comerciais a capacidade de otimizar a capacidade do sistema de acordo com as suas necessidades energéticas.
Os sistemas de gestão de baterias também estão a começar a incorporar inteligência artificial (IA) e aprendizagem automática, o que pode melhorar ainda mais a fiabilidade e a eficiência dos BESS. As características baseadas em IA podem melhorar a previsão da degradação da bateria, otimizar os ciclos de carga com base nas condições ambientais e gerir dinamicamente o fluxo de energia para maximizar tanto a vida útil como o desempenho da bateria.
Em conclusão
, os recursos energéticos descentralizados oferecem a empresas e residências a oportunidade de alcançar a independência energética, ao mesmo tempo que melhoram a sua sustentabilidade. No entanto, à medida que as necessidades energéticas aumentam e as redes elétricas nacionais se tornam mais complexas, o mercado deve fornecer soluções de energia solar e eólica eficientes e fiáveis que se integrem perfeitamente nas habitações, nas empresas e na rede elétrica.
Fontes
[1]https://www.iea.org/reports/approximately-100-million-households-rely-on-rooftop-solar-pv-by-2030
[2]https://www.sustainabilitybynumbers.com/p/nuclear-construction-time
[3]https://www.theecoexperts.co.uk/solar-panels/complete-guide-solar-farms
[4]https://www.susenergy.co.uk/how-long-does-it-take-to-install-solar-panels.html
[5]https://www.forbes.com/sites/peterdetwiler/2013/07/16/as-solar-panel-efficiencies-keep-improving-its-time-to-adopt-some-new-metrics/
[6]https://corporate.enelx.com/en/question-and-answers/are-solar-panels-energy-efficient
[7]https://www.oxfordpv.com/news/oxford-pv-sets-new-solar-panel-efficiency-world-record-0
[8]https://www.bbc.co.uk/news/articles/c07ngp4yz7jo
[9]https://aerominetechnologies.com/
[10]https://vortexbladeless.com/technology/
[11]https://www.energy.gov/eere/solar/silicon-carbide-solar-energy
[12]https://energy.ec.europa.eu/topics/renewable-energy/solar-energy_en
Sobre o autor:
Mark, que faz parte da equipa EMEA da Mouser na Europa, juntou-se à Mouser Electronics em julho de 2014, após ter ocupado cargos de liderança em marketing na RS Components. Antes da RS, Mark trabalhou durante oito anos na Texas Instruments em funções de apoio a aplicações e vendas técnicas. Formou-se com honras em Engenharia Elétrica pela Universidade de Coventry.
