Este é o resumo do artigo de 10 páginas que tem por objetivo apresentar as soluções que permitiriam superar as ameaças atuais de instabilidade do sistema elétrico interligado brasileiro resultantes do crescimento acentuado da micro e minigeração distribuída de energia, principalmente a energia solar, que gera desafios para o controle de frequência e tensão da rede elétrica, bem como as ameaças futuras de instabilidade do sistema elétrico interligado brasileiro resultantes da expansão futura da geração de energia solar e eólica até 2050 que não assegura energia firme para o sistema devido a sua intermitência dificultando a adequada operação do sistema elétrico interligado nacional. Serão apresentados a seguir como assegurar a estabilidade do sistema elétrico interligado do Brasil e como assegurar o suprimento de energia firme no sistema elétrico interligado com a existência de fontes de energia solar e eólica.
1. Como assegurar a estabilidade do sistema elétrico interligado do Brasil
O sistema elétrico do Brasil envolve uma grande infraestrutura e uma complexa organização para que funcione. Ele conta com o Sistema Interligado Nacional (SIN), o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) e a Eletrobras. O Sistema Interligado Nacional (SIN) é uma grande rede que se estende pelo Brasil congregando várias usinas de geração e uma malha de transmissão de energia elétrica que suprem a demanda de energia elétrica do País com seus subsistemas Nordeste, Sudeste/Centro-Oeste, Sul e Norte.
A maior parte do SIN é composta por usinas hidroelétricas, usinas termelétricas e, também, por usinas eólicas e usinas solares fotovoltaicas. As duas últimas modalidades de usinas estão concentradas principalmente na região Nordeste do País. O Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) que é um órgão criado em 1998, fiscalizado e regulado pela ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), é responsável por coordenar e controlar as operações das instalações de geração e de transmissão de energia elétrica integrantes do SIN (Sistema Interligado Nacional) de forma a garantir a segurança e o suprimento de eletricidade para o País. Os sistemas isolados, isto é, aqueles não integrantes do sistema elétrico interligado também estão sob sua competência integrá-los na operação.
A ANEEL tem como principal objetivo fiscalizar e regular a produção, transmissão, comercialização e distribuição de energia elétrica no território nacional. Outra atribuição da ANEEL é conceder, autorizar ou permitir instalações e serviços de energia elétrica. Além disso, a ANEEL tem o papel de implementar políticas no setor, realizar leilões e concessões, fazer a gestão de contratos, estabelecer regras para o serviço de energia, criar metodologia para o cálculo de tarifas, fiscalizar o fornecimento da energia e mediar conflitos.
É importante observar que um sistema elétrico só terá condições de operar com eficiência e eficácia se apresentar estabilidade em sua operação. Entende-se como estabilidade de um sistema elétrico interligado, como o do Brasil, a capacidade do sistema se recuperar após uma perturbação, como, por exemplo, a ocorrência de curtos-circuitos, sobrecargas ou o desligamento de equipamentos em sua operação, mantendo o fornecimento de energia dentro de limites aceitáveis de tensão e frequência. Para assegurar a continuidade no suprimento da energia elétrica do Brasil, é preciso que o sistema elétrico interligado nacional adquira estabilidade angular, estabilidade de frequência e estabilidade de tensão.
A estabilidade angular, estabilidade de frequência e estabilidade de tensão do Sistema Interligado Nacional (SIN) é um processo coordenado no Brasil pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) envolvendo quatro mecanismos principais utilizados para assegurar a estabilidade do sistema elétrico interligado nacional descritos a seguir:
| Mecanismo | Função |
| 1. Controle primário de frequência | Promover resposta automática das usinas em operação em segundos |
| 2. Controle secundário | Realizar ajustes pelo ONS em minutos |
| 3. Existência de reserva de potência girante | Fazer com que a potência ociosa das usinas em operação suba rapidamente quando há aumento repentino da carga |
É importante destacar que a estabilidade da operação do sistema elétrico é fundamental para garantir a segurança e a confiabilidade do fornecimento de energia elétrica, proteger os equipamentos dos consumidores e do próprio sistema elétrico contra danos causados por variações de tensão (Volts) ou frequência (Hertz) e permitir a integração de novas fontes de energia (renováveis, distribuídas, etc.) e tecnologias (redes inteligentes) sem comprometer o desempenho do sistema. É importante observar que perturbações como curtos-circuitos, desligamentos de equipamentos, falhas em linhas de transmissão ou picos de carga podem desestabilizar o sistema elétrico interligado. Para fazer frente a essas perturbações, o sistema elétrico interligado do Brasil precisa contar com dispositivos de controle de tensão, de proteção dos geradores e adequada configuração da rede de transmissão para manter a estabilidade do sistema.
A estabilidade do Sistema Interligado Nacional (SIN) do Brasil é, portanto, o resultado de um conjunto de processos técnicos, operacionais e regulatórios que garantem que a energia gerada chegue aos consumidores com segurança, continuidade, qualidade, frequência e tensão adequadas. A frequência da operação do sistema interligado brasileiro deve permanecer próxima de 60 Hertz. Quando a demanda de energia aumenta e a geração de energia não acompanha, a frequência cai e ocorre o risco de “apagão” do sistema elétrico interligado. Quando a geração de energia excede a demanda de energia, a frequência sobe e ocorre o risco de desconexão de usinas em operação.
No momento atual, o rápido crescimento da geração distribuída de energia, principalmente de energia solar, está contribuindo para haver momentos de excesso de energia (quando a geração de energia é muito maior do que a demanda de energia) fazendo com que a frequência e a tensão do sistema elétrico interligado fiquem instáveis e torne seu controle mais complexo, necessitando de novos protocolos e intervenções para manter a estabilidade do sistema elétrico nacional. Para solucionar este problema, é preciso que se realize a integração de tecnologias avançadas e o fortalecimento das redes de comunicação para melhorar a coordenação e a resposta do sistema elétrico interligado às variações de geração e de consumo de energia.
O Plano Nacional de Energia (PNE 2050) prevê uma expansão significativa da fonte solar fotovoltaica que atingirá entre 27 a 90 GW em termos de capacidade instalada e entre 8 a 26 GW médios em termos de energia produzida em 2050, assumindo em torno de 5% a 16% da capacidade instalada total ou de 4% a 12% em termos de energia total produzida em 2050. Tal expansão ocorrerá predominantemente nas últimas décadas até 2050, quando esta fonte de energia apresentará maior competitividade. Segundo o PNE 2050, a capacidade instalada total centralizada de geração solar fotovoltaica em 2050 pode ser superior a 100 GW se ela for utilizada em substituição à expansão da eólica ou quando a expansão da transmissão estiver limitada. Nesses dois casos, a capacidade instalada referente aos projetos fotovoltaicos na geração centralizada atingirá em torno de 95 GW e 190 GW, respectivamente. Tais valores correspondem a uma participação da energia solar centralizada entre 18% e 30% da capacidade instalada total do sistema em 2050.
A geração distribuída de energia, em que a fonte solar fotovoltaica representará pouco mais de 85% da capacidade instalada até 2050, por conta da sua modularidade, custo decrescente e difusão da tecnologia entre a sociedade, alcançaria entre 28 GW e 50 GW em 2050, o que representaria de 4% a 6% da carga total. Segundo o PNE 2050, a energia eólica, no cenário “Desafio da Expansão”, poderá atingir de 110 a 195 GW em termos de capacidade instalada e entre 50 e 85 GW médios em termos de energia produzida em 2050, denotando sua crescente importância na matriz elétrica brasileira até 2050: em torno de 22% a 33% da capacidade instalada total ou de 27% a 40% em termos de energia produzida total. A capacidade instalada total de energia eólica em 2050 pode ainda superar 200 GW se considerados casos especiais, com os projetos eólicos atingindo em torno de 209 GW e 246 GW, respectivamente, correspondendo a uma participação eólica entre 36% e 42% da capacidade instalada total do sistema elétrico em 2050.
Lamentavelmente, o Plano Nacional de Energia (PNE 2050), elaborado pelo Ministério das Minas e Energia, não apontou soluções para os problemas relacionados com a estabilidade do sistema elétrico interligado do Brasil que já estão sendo provocados pelo uso em grande escala da energia solar e eólica, que tende a se agravar no futuro, porque poderá contribuir para aumentar a produção total de eletricidade acima do consumo, como ocorre atualmente. O fato é que, atualmente, há muita sobra de geração de energia solar e eólica, mas não o tempo todo que faz com que o Operador Nacional do Sistema (ONS) do Brasil faça com que cada vez mais grandes usinas de geração eólica e solar desliguem suas máquinas, porque os consumidores não conseguem absorver toda a energia por elas produzida.
Além do avanço acelerado atual da micro e minigeração distribuída de energia (os painéis solares nas residências e pequenas usinas solares que abastecem a atividade comercial), que têm contribuído para que haja períodos em que a oferta de energia seja muito maior do que o consumo de energia, haverá a expansão futura das usinas solares e eólicas de médio e grande porte no Brasil para atender a demanda de eletricidade que poderá agravar a situação atual. Quando a oferta de energia é muito maior do que o consumo de energia, esta situação pressiona a rede elétrica reduzindo a previsibilidade e ameaçando a estabilidade do sistema elétrico interligado do Brasil. Como o ONS não consegue intervir nos painéis solares das casas das pessoas e das atividades comerciais, há ainda risco de “apagões” do sistema interligado por excesso de geração de energia, já que o sistema elétrico interligado depende do equilíbrio entre a energia gerada e a energia consumida a cada instante para assegurar a estabilidade do sistema elétrico interligado do Brasil.
Esta situação evidencia a fragilidade do sistema elétrico interligado do Brasil diante da ineficácia do planejamento da expansão do sistema elétrico do Brasil pelo fato da expansão da geração de energia solar e eólica e sua conexão com o sistema elétrico interligado estarem fora de controle ameaçando a estabilidade do sistema e elevando seus custos indevidamente. A seguir, estão apresentados os problemas provocados pelas energias solar e eólica que afetam a estabilidade do sistema elétrico interligado brasileiro, as causas dos problemas e as consequências resultantes sobre o sistema elétrico interligado.
| Problemas | Causa do problemas | Consequências sobre o sistema elétrico |
| 1. Redução da inércia do sistema | Solar/Eólica usam inversores, não rotores síncronos | Frequência oscila mais rápido com risco de “apagões” do sistema elétrico |
| 2. Geração variável e imprevisível | Depende de sol e do vento | Maior necessidade de reserva rápida de potência para equilibrar a demanda de energia |
| 3. Pouco fornecimento de potência reativa | Falta de máquinas síncronas | Problemas de tensão em linhas longas (Nordeste → Sudeste) |
| 4. Queda de energia ao entardecer | Energia solar cai rápido ao pôr do sol | Necessidade de aumentar rapidamente a produção de hidrelétricas ou termelétricas |
| 5. Fluxo reverso em redes locais | Excesso de geração distribuída | Sobretensão em redes de distribuição |
O sistema elétrico interligado do Brasil, que utiliza fontes de energia solar e eólica, requer a adoção de estratégias para lidar com a intermitência dessas fontes e garantir a estabilidade do sistema, com a implementação do armazenamento de energia e a instalação de redes inteligentes de energia para assegurar o suprimento de energia firme (energia média que permanece disponível 100% do tempo no período crítico considerando a pior série hidrológica, expressa em MW médios).
2. Como assegurar o suprimento de energia firme ao sistema elétrico interligado do Brasil com a expansão das fontes de energia solar e eólica
A expansão acelerada da energia solar e eólica no Brasil traz benefícios claros (baixo custo, zero emissões de gases do efeito estufa, descentralização), mas afeta a estabilidade do sistema elétrico interligado porque essas fontes não fornecem energia firme, que é aquela que permanece disponível 100% do tempo, devido à sua intermitência tendo, portanto, características muito diferentes das usinas hidrelétricas e termelétricas que historicamente sustentaram o SIN (Sistema Interligado Nacional). Um dos grandes problemas do sistema elétrico interligado do Brasil que precisam ser solucionados é o do suprimento de energia firme que implica em uma parcela da geração de energia ser confiável em todas as condições (de seca, baixa afluência de água nos reservatórios das grandes usinas hidrelétricas, etc.) que não é garantida com o uso de fontes geradoras de energia solar e eólica devido à sua intermitência. A energia solar não é produzida à noite e em condições atmosféricas desfavoráveis e a energia eólica não é produzida na ausência de vento.
Para o setor elétrico brasileiro assegurar energia firme (isto é, energia disponível de forma contínua e previsível) utilizando fontes intermitentes como solar e eólica, é necessário promover o armazenamento de energia em larga escala. Como as fontes solar e eólica produzem energia de forma variável, o armazenamento é essencial para transformar excedentes em energia firme. Este armazenamento da energia pode ser realizado: 1) com o uso de BESS - baterias eletroquímicas (lítio); 2) em usinas de Energia Solar Concentrada (CSP); e, 3) a produção de hidrogênio verde.
O armazenamento de energia solar e eólica pode ser realizado com o uso de BESS - baterias eletroquímicas (lítio) que são sistemas nos quais as baterias eletroquímicas (lítio), individualmente ou, mais frequentemente, em conjunto, são usadas para armazenar a eletricidade produzida pelas usinas geradoras solares e eólicas e disponibilizá-la quando necessário. O armazenamento de energia solar realizado em usinas de Energia Solar Concentrada (CSP) consiste em gerar eletricidade diretamente com as usinas CSP concentrando a luz solar para aquecer um fluido, que por sua vez produz vapor para mover uma turbina e um gerador. O armazenamento da energia solar e eólica pode ser realizado, também, com a produção de hidrogênio verde que ocorre principalmente através da eletrólise da água, um processo que utiliza eletricidade de fontes renováveis (como solar ou eólica) para separar as moléculas de água (H2O) em hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) sem emitir CO2. O hidrogênio verde obtido pode ser armazenado e utilizado na geração termelétrica.
3. Conclusões
Pelo exposto, para superar as ameaças atuais de instabilidade do sistema elétrico interligado brasileiro resultantes do crescimento acentuado da micro e minigeração distribuída de energia, principalmente a energia solar, que gera desafios para o controle de frequência e tensão da rede elétrica, bem como as ameaças futuras de instabilidade do sistema elétrico interligado brasileiro resultantes da expansão futura da geração de energia solar e eólica até 2050, que não assegura energia firme para o sistema elétrico interligado, devido à sua intermitência, dificultando a adequada operação do sistema elétrico interligado nacional, torna-se necessário a adoção de estratégias para evitá-las as quais estão descritas a seguir:
· Realizar a integração de tecnologias avançadas e o fortalecimento das redes de comunicação para melhorar a coordenação e a resposta do sistema elétrico interligado às variações de geração e de consumo de energia.
· Implementar o armazenamento de energia e a instalação de redes inteligentes de energia para assegurar o suprimento de energia firme (energia média que permanece disponível 100% do tempo no período crítico, considerando a pior série hidrológica, expressa em MW médios) para lidar com a intermitência das fontes de energia solar e eólica.
· Assegurar ener
· Utilizar o armazenamento de energia com o uso de baterias, reservatórios das hidrelétricas e hidrogênio verde para aumentar a energia firme.
· Armazenar energia oriunda de fontes de energia solar e eólica intermitentes: 1) com o uso de BESS - baterias eletroquímicas (lítio); 2) em usinas de Energia Solar Concentrada (CSP); e, 3) com a produção de hidrogênio verde.
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