O Parque Eólico e Usina Solar de Pinheiros do Departamento de Água e Energia de Los Angeles em Tehachapi, Califórnia, a 115 milhas de Los Angeles. Irfan Khan / Los Angeles Times via Getty Images
Muitos tipos de eventos extremos podem interromper o serviço de eletricidade, incluindo furacões, terremotos, inundações, incêndios florestais, calor extremo, frio extremo e secas prolongadas. Grandes desastres podem deixar milhares de pessoas no escuro. O congelamento profundo do Texas em fevereiro nocauteou 40% da capacidade de geração elétrica do estado.
Durante esses eventos, as regiões não afetadas podem ter energia de sobra. Por exemplo, durante os apagões de fevereiro no Texas, as concessionárias estavam gerando eletricidade a partir de hidrelétricas no noroeste do Pacífico, gás natural no nordeste, vento nas planícies do norte e energia solar no sudoeste.
Hoje não é possível transportar eletricidade de forma contínua de uma extremidade dos Estados Unidos para a outra. Mas, na última década, pesquisadores de laboratórios e universidades nacionais trabalharam em estreita colaboração com engenheiros da indústria para projetar um sistema de eletricidade interestadual que consiga. E Plano de infraestrutura do presidente Biden moveria nesta direção ao alocar bilhões de dólares para construir linhas de transmissão de alta tensão que podem “mover eletricidade mais barata e mais limpa para onde ela é mais necessária”.
My pesquisa de engenharia concentra-se em sistemas elétricos de potência. Na Iowa State University, trabalhamos para quantificar os benefícios que as macrorredes podem trazer aos Estados Unidos. Esses sistemas de transmissão de alta capacidade interconectam recursos de energia e áreas de alta demanda de eletricidade, conhecidas como centros de carga, em grandes regiões geográficas.
A rede elétrica transporta energia de geradores, que muitas vezes estão localizados longe dos centros populacionais, para consumidores de energia.
Um sistema rodoviário nacional para eletricidade
Dwight Eisenhower estava pensando em um sistema nacional de rodovias interestaduais durante décadas antes de ser empossado como presidente em 1953. Eisenhower argumentou que tal sistema era "tão necessário para a defesa quanto é para o nosso economia nacional e segurança pessoal. "
O Congresso concordou e aprovou o Lei federal de ajuda rodoviária de 1956, que autorizou o governo federal a arcar com 90% do custo desse sistema de US $ 114 bilhões, cabendo aos estados o restante.
Eisenhower estava preocupado com evacuando cidades em caso de guerra nuclear. O argumento de segurança para uma macrogrelha se concentra em eventos extremos que interrompem a rede elétrica. E o argumento econômico centra-se em mover a energia eólica, solar e hidrelétrica de áreas onde elas são abundantes para áreas com alta demanda de energia.
Hoje, a rede elétrica da América do Norte é, na verdade, cinco grades, também conhecidas como interconexões. Duas grandes, as Interconexões Leste e Oeste, cobrem a maior parte dos 48 estados inferiores e grandes áreas do Canadá, enquanto três redes menores atendem ao Texas, Alasca e norte de Quebec. Cada uma dessas grades usa corrente alternada, ou AC, para mover eletricidade dos geradores para os clientes.
As interconexões Eastern, Western e Texas estão ligadas por corrente contínua de alta tensão, ou HVDC, linhas que possibilitam a transmissão de energia entre eles. Estas instalações estão envelhecendo e só pode transferir pequenas quantidades de eletricidade entre grades. Uma maneira de pensar em uma macrogrelha é como uma sobreposição que reúne as grades americanas existentes e torna mais fácil mover a energia entre elas.
Uma potencial macrogrelha dos EUA conectando as redes do leste, oeste e do Texas e conectando-se a parques eólicos offshore. James McCalley, CC BY-ND
Compartilhando poder entre regiões
O presidente Biden propôs ações abrangentes para alcançar uma transição de energia limpa nos EUA, incluindo tornando a energia elétrica livre de carbono até 2035. Isso exigirá o acréscimo de uma grande quantidade de nova capacidade de geração renovável nos próximos 15 anos.
Os custos da energia eólica e solar caíram drasticamente nos últimos anos. Hoje, a energia de novas usinas eólicas ou solares em grande escala é mais barata do que a eletricidade de usinas de carvão existentes. No entanto, as energias renováveis fornecem apenas cerca de 21% da eletricidade dos EUA.
Uma macrorrede reduziria o custo da eletricidade de novas usinas eólicas e solares de duas maneiras. Primeiro, possibilitaria energia renovável de alta qualidade - principalmente eólica do meio-oeste e solar do sul e, potencialmente, energia hidrelétrica canadense - para abastecer centros de carga costeiros. É mais barato construir sistemas de transmissão que podem mover essa energia por longas distâncias do que gerá-la a partir de recursos solares e eólicos de qualidade inferior e mais fracos, próximos às cidades.
Em segundo lugar, uma macrorrede tornaria possível compartilhar a produção de energia e os serviços de rede entre as regiões. Esta estratégia aproveita as diferenças de tempo devido aos fusos horários e ao fato de que a demanda de eletricidade tende a pico em certas horas do dia, como quando as pessoas chegam em casa à noite. E os preços da eletricidade sobem e caem durante o dia com a demanda.
Por exemplo, às 3h3, horário do Pacífico, a demanda de energia é relativamente baixa na costa oeste, o que significa que o custo dessa eletricidade também é baixo. O excesso de eletricidade ocidental poderia ser usado para suprir a demanda na costa leste, que atinge o pico diariamente simultaneamente com a “baixa” da costa oeste às 6h7, horário do leste dos EUA. Quatro horas depois, quando a costa oeste atinge o pico diário das 10h no horário do Pacífico, seriam XNUMXh na costa leste, que teria geração extra para compartilhar na direção oeste.
O compartilhamento de capacidade também funciona porque o pico de demanda anual de energia ocorre em diferentes épocas do ano para diferentes regiões. Cada região deve ter acesso a capacidade de geração suficiente para atender seu pico de carga anual, com alguma margem para cobrir falhas de geração. Uma macrogrelha permitiria que as regiões compartilhassem o excesso de capacidade de geração quando não for necessário localmente.
Essa estratégia oferece benefícios mesmo quando os picos anuais em duas regiões diferem em apenas alguns dias. Quando diferem por semanas ou meses, a recompensa pode ser grande. Por exemplo, a demanda de energia no noroeste do Pacífico normalmente atinge o pico no inverno, de modo que a região pode pedir capacidade emprestada do sudoeste e do meio-oeste, onde a demanda atinge o pico no verão e vice-versa.
A transmissão de edifícios economiza dinheiro
Em um estudo que publiquei em 2020 com colegas acadêmicos e da indústria, mostramos que sem uma macrorrede custaria mais de $ 2.2 trilhões de 2024 a 2038 para desenvolver e operar o sistema de energia elétrica do país e atingir 50% da geração de energia renovável em 2038. Isso inclui os custos de adicionar 600 gigawatts de nova capacidade de geração que seria quase inteiramente eólica e solar; custos operacionais das usinas fósseis e nucleares remanescentes; e construção de novas linhas de transmissão AC para conectar novas usinas de energia aos clientes.
No entanto, calculamos que se os EUA gastassem US $ 50 bilhões para desenvolver uma macrorrede, o custo total de longo prazo para desenvolver e operar o sistema de energia elétrica do país e atingir 50% de eletricidade renovável em 2038 diminuiria em mais de US $ 50 bilhões. Em outras palavras, ao tornar possível compartilhar energia entre regiões e fornecer energia renovável de alta qualidade de áreas remotas para centros de carga, a macrorrede mais do que se pagaria.
Alguns observadores podem temer que uma rede conectada nacionalmente seja mais vulnerável a blecautes em cascata do que nosso sistema existente. Na verdade, uma macrogrelha seria mais confiável porque o HVDC fornece maior capacidade de controle da rede por meio de suas estações conversoras flexíveis.
Líderes da indústria e defensores da energia limpa estão pedindo que os EUA busquem o desenvolvimento de macrorredes. Mas a América do Norte é ficando para trás a maior parte do mundo está desenvolvendo linhas de energia inter-regionais para explorar recursos de energia limpa de baixo custo. E se US $ 50 bilhões parecerem um grande investimento, considere o seguinte: é também o custo mínimo estimado de interrupções e picos nos preços da energia durante o congelamento profundo do Texas.
Sobre o autor
James D. McCalley, Professor de Engenharia Elétrica, Iowa State University
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