Principais tendências que impulsionam os sistemas de energia verde

Inovação e principais que impulsionam de impulso para os sistemas de energia verde

Adam Kimmel para Mouser Electronics

Introdução

As reuniões da COP 21 de 2015 em Paris foram um passo significativo na abordagem das mudanças climáticas globais. A conferência registrou os compromissos dos países no Acordo de Paris, no qual as nações prometeram limitar o aumento da temperatura global abaixo de 2 °C (meta de 1,5 °C) até 2100. Os participantes alcançarão isso visando um mundo neutro sob o ponto de vista climático até 2050.

A boa notícia para as economias globais é que a energia verde (ou renovável) aborda agressivamente as mudanças climáticas, ao mesmo tempo em que oferece uma oportunidade de mercado que deve chegar a USD 2 trilhões até 2030. Este artigo descreve o estado atual e os recentes desenvolvimentos técnicos dos setores de energia verde.

As fontes renováveis já constituem uma proporção significativa da geração global de energia. A energia hidrelétrica representa a maior parte, mas as energias eólica e solar estão ganhando terreno rapidamente. A Figura 1 ilustra a geração global de energia em 2021, mostrando como a energia eólica e a solar tiveram crescimento superior ao de energia hidrelétrica nos últimos anos.

Figura 1: Geração de energia renovável moderna por fonte, World 2021. (Fontes Hannah Ritchie, Max Roser e Pablo Rosado (2022) - "Energy". Publicado on-line em OurWorldInData.org. Extraído de: 'https://ourworldindata.org/energy')

Energia solar

Houve uma inovação significativa no campo da energia solar e fotovoltaica (PV), apesar das barreiras à implementação, entre as quais estão:

• O terreno necessário para alojar a infraestrutura de energia
• Custos de equipamento e instalação
• Inversores e equipamentos de conversão de energia
• Tecnologia para integração com a rede elétrica
• Estética da instalação de uma grande área de painéis solares nos telhados dos consumidores ou terras agrícolas

Considerando a importância do aumento da proporção de energia solar e dos prazos para cumprir os compromissos de Paris, os governos estão começando a exigir a instalação de painéis solares para impedir a opção de escolha dos consumidores. Por exemplo, Tóquio está exigindo a instalação de painéis solares nas casas novas construídas depois de 2025.

Células solares e PVs integrados
Duas desvantagens principais da energia solar são que ela é intermitente e ineficiente. Logicamente, a energia proveniente da natureza é menos eficiente e confiável do que a energia de alto processamento. Por exemplo, os painéis solares comerciais têm apenas entre 15 e 20% de eficiência, com um limite teórico máximo de aproximadamente 30% para um único material. Esses limites são determinados principalmente pelas perdas de conversão de energia e dispersão solar antes que a superfície do painel seja atingida.

Os engenheiros estão integrando PVs sempre que possível para aumentar a potência geral de um processo ineficiente. Com as mais altas eficiências solares provenientes de superfícies sem sombra voltadas para o sul, os projetistas de sistemas podem otimizar o número de painéis para obter o máximo valor. Além disso, a grande pegada de arranjos de painéis solares pode criar benefícios secundários, como sombreamento de estacionamentos com estruturas solares ou alavancagem de edifícios altos cujos telhados planos não são visíveis para as pessoas abaixo.

Energia solar nos oceanos
Como o espaço é uma consideração essencial para a energia solar, outra tendência emergente é a instalação de sistemas de energia solar no mar. O grande volume de água disponível na terra oferece benefícios naturais para painéis PVs flutuantes offshore (também conhecidos como energia fotovoltaica flutuante), como a integração resfriada a líquido com a água do mar e fonte de energia adicional por meio da água que reflete os raios solares nos painéis. Além disso, o resfriamento a líquido oferece uma eficiência de transferência de calor muito maior do que os sistemas resfriados a ar, o que pode reduzir o tamanho dos componentes para uma quantidade comparável de produção de energia.

Energia solar para a agricultura
Assim como a energia fotovoltaica flutuante, a energia agrovoltaica (ou agrofotovoltaica) aproveita uma grande área para colocar painéis PVs, neste caso, a instalação de painéis solares em terras agrícolas para integração com as operações de cultivo. Essa prática também fornece energia remota e resiliente em locais que possam não ter acesso imediato à rede elétrica ou possam aumentar a energia da rede alocada para a agricultura. Acrescentar geração de energia a terras que já são rentáveis para a agricultura aumenta o seu valor, e os painéis podem reduzir a temperatura e a evaporação do solo, aumentando o rendimento das terras agrícolas.

Energia solar concentrada
Outra maneira de mitigar a ineficiência natural da energia solar é coletar a energia renovável em uma pequena área usando espelhos ou lentes de energia solar concentrada (CSP) e em seguida convertê-la em energia térmica para uso sob demanda. Essa conversão térmica a elétrica é semelhante à operação dos motores Stirling e das turbinas a vapor. Além disso, outros fatores que habilitam a utilização de CSP são acesso a linhas de transmissão de alta tensão, área de terra suficiente e luz solar de alta qualidade (como no sudoeste dos EUA).

Inovação em materiais fotovoltaicos
O PV comercial de material único opera em uma eficiência de conversão muito baixa, em torno de 20%. No entanto, existem avanços significativos em materiais visando aumentar esse limite. Por exemplo, a simples redução da espessura do material das células fotovoltaicas, resulta em aumento de flexibilidade física dos materiais, redução de custos e melhora do perfil de sustentabilidade com utilização de menos material. Além disso, células fotovoltaicas mais finas reduzem as perdas de condução ao longo da espessura do material (aquecimento de material mais espesso), aumentando a eficiência da conversão de energia.

Outra melhoria em relação aos materiais fotovoltaicos é a implementação de materiais e revestimentos à base de bismuto (Bi) para ultrapassar o limite teórico de aproximadamente 30%. O principal material de revestimento é a perovskita, que aumenta o limite de eficiência teórica para 43% por meio da absorção de comprimento de onda expandida no espectro solar, o que, por sua vez, aumenta a quantidade de energia disponível na fonte. A durabilidade da perovskita continua sendo uma questão pendente, o que, no entanto, pode limitar a duração do aumento da eficiência ao longo da vida útil das células solares. Outras películas e revestimentos demonstraram ganhos de eficiência de 5 a 10% ao capturar e redirecionar feixes de luz, semelhante a CSP.

Energia eólica e hidrelétrica

A energia renovável passou a ser mais acessível em razão dos avanços tecnológicos e do aumento da adoção no mercado. Mas, embora a construção de novas usinas eólicas e solares seja atualmente menos dispendiosa do que as de carvão ou gás, o consumo global de combustíveis fósseis ainda prevalece sobre os renováveis.

No entanto, à medida que a demanda por energia verde dispara devido aos compromissos globais de sustentabilidade, os custos por unidade (kWh) da capacidade de geração de energia eólica e solar também estão caindo, por vezes mais baixos do que o custo por kWh dos combustíveis fósseis. Consequentemente, o menor custo de capital e por unidade da energia renovável em comparação com a energia de origem fóssil é um argumento comercial convincente quando atendido pela demanda global sem restrições.

A energia hidrelétrica, que compreende a maior proporção da produção de energia renovável, aproveita a prevalência de água. Esse método aproveita a energia cinética da água corrente, que gira uma turbina para acionar um gerador acoplado e gera a eletricidade. Além disso, muitas das inovações eólicas alavancam a integração com fontes oceânicas.

Montagem e construção de turbinas locais
O porte considerável das turbinas eólicas dificulta o transporte de unidades completas e gera dificuldades para os líderes de logística. Por esse motivo, os engenheiros estão projetando turbinas para construção no local e transportando-as em segmentos. Essa abordagem simplifica o transporte de turbinas enquanto reduz o número de peças exclusivas. Com isso, é possível aumentar as quantidades de produção das demais peças, melhorando os custos da turbina por meio da economia de escala.

Aerodinâmica e modelagem numérica de pás eólicas
Para melhorar a eficiência da produção de energia eólica, os engenheiros estão focando no projeto das pás. Por exemplo, os engenheiros utilizam modelagem numérica 3D ou uma abordagem de engenharia auxiliada por computador chamada dinâmica de fluidos computacional (CFD), que analisa as condições estáticas e dinâmicas para determinar o projeto ideal.

Gêmeos digitais
Geminação digital, que consiste em replicar uma peça física com uma correspondência digital. O gêmeo digital incorpora os dados de performance da peça física para calibração do modelo. Sendo assim, as atualizações de projeto podem acontecer rapidamente no mundo digital antes que os fabricantes comecem um novo protótipo físico, economizando muito tempo e custos.

Colheita de energia
A colheita de energia aproveita o fato de que qualquer diferencial nas propriedades cria a oportunidade para geração de energia. Por exemplo, muitos reservatórios residenciais de armazenamento de água são elevados para fornecer pressão de entrega consistente. Os engenheiros desenvolveram maneiras de aproveitar os diferenciais naturais de energia térmica, salinidade e pressão das marés no oceano para energia hidrelétrica.

Conversão de energia térmica oceânica e captura de gradiente de energia
Pode haver variação significativa de temperatura entre a água na superfície e a centenas de metros de profundidade. Os dispositivos de conversão de energia térmica oceânica (OETC) usam água do mar quente e fria para vaporizar e condensar um fluido de trabalho em um ciclo de refrigeração por compressão de vapor. Quanto maior for a diferença de temperatura, maior será a eficiência energética e o rendimento. Da mesma forma, os diferenciais de pressão osmótica e das ondas de maré podem produzir energia à medida que o estado inicial busca o equilíbrio com o estado de menor energia.

Armazenamento de energia e integração de rede

Uma fonte significativa de inovação em energia verde está ocorrendo no armazenamento de energia. A energia renovável é inconsistente, portanto, armazenar a energia permite que o usuário ou a concessionária determine como suavizar a intermitência.

Química da bateria
Com o aumento da eletrificação, a química da bateria está em constante evolução. Tecnologias como fosfato de lítio-ferro (LFP), íon de sódio e estado sólidoestão prontos para melhorara densidade de energia, velocidade de carga/descarga e perfil de segurança.

A melhoria da química da bateria é essencial para a longevidade das soluções de eletrificação. No entanto, à medida que os engenheiros desenvolvem e aplicam produtos de bateria a uma gama crescente de aplicações, garantir sua segurança é de igual importância. Este objetivo é especialmente verdadeiro para baterias de íons de lítio susceptíveis à fuga térmica.

Destaque do produto: Monitor de bateria multicelular LTC6811 da Analog Devices
A Analog Devices desenvolveu um sistema robusto que soluciona o monitoramento de bateria para sistemas compatíveis com ISO 26262: O monitor de bateria multicelular de 12 canais LTC6811 (Figura 2) pode medir até doze células conectadas em série com um erro de medição máximo de 1,2 milivolt. Com uma faixa de medição de célula de 0 V a 5 V, o LTC6811 oferece um erro de medição de 1% ou menos e leva apenas 290µs para medir todas as células do sistema. Além disso, o LTC6811 emprega uma interface isoSPI™ para comunicação de alta velocidade e longa distância com o processador host que não é suscetível à interferência de RF.

Figura 2: Monitor de bateria multicelular de 12 canais LTC6811 da Analog Devices. (Fonte: Mouser Electronics)

O monitor inclui balanceamento passivo e controle de ciclo de carga PWM para regulação de potência e tempo de vida aumentado dentro de cada célula. Ele pode drenar energia da própria bateria ou de uma fonte de alimentação externa e também emprega um conversor analógico-digital (ADC) delta-sigma de 16 bits com um filtro de ruído programável de terceira ordem. Esse recurso é significativo, uma vez que o ruído é uma das métricas críticas em sistemas elétricos.

A robustez e ampla aplicabilidade do monitor LTC6811 para vários sistemas e químicas de bateria o tornam ideal para veículos elétricos a bateria (BEVs) e veículos elétricos híbridos plug-in (PHEVs), armazenamento de energia na rede, sistemas de backup de bateria e equipamentos portáteis de alta potência, entre outros casos de uso. Além disso, quando uma solução utiliza uma bateria de carga especificada, o monitor LTC6811 pode medir seu desempenho e indicar quando as métricas de desempenho caem para ajudar a prever uma falha iminente.

Armazenamento de energia distribuída e microrredes
À medida que as tendências e inovações em energia eólica e solar evoluem, a integração dessa energia com a rede elétrica será o próximo desafio crítico para impulsionar a transição energética. Como os semicondutores nitreto de gálio e carbeto de silício, a eletrônica de rede permite que haja comunicação entre várias formas de energia por meio da integração de energia. Além disso, essa tecnologia fornece armazenamento distribuído de energia em formas alternativas de energia.

A eletrônica de rede também habilita microrredes—coletas locais de fontes de energia que podem operar independentemente, como um gerador, ou integrar com a rede. Esses arranjos oferecem um efeito aditivo de todas as fontes de energia renováveis para aumentar a energia da rede primária ou fortalecer a resiliência durante interrupções, melhorando a eficiência de utilização de energia. Como resultado, os monitores de bateria como o LTC6811 são essenciais para garantir o desempenho quando uma microrrede remota não tiver acesso à rede elétrica primária.

Microcontroladores
Os microcontroladores dão aos operadores o controle sobre a forma como eles distribuem energia renovável. A integração desses controladores com sistemas inteligentes orientados por IA pode automatizar o balanceamento de energia para eficiência ideal, com adaptação às mudanças na demanda ou durante os períodos de pico. Os controladores também podem se adaptar às flutuações de tensão através da intermitência de energia e corrigi-las na aplicação.

Veículo à rede (V2G)
Uma das mudanças mais significativas do movimento de eletrificação é a forma como os engenheiros pensam em energia, tratando-a cada vez mais como um fluido com capacidade de movimento para frente e para trás quando for necessário. No entanto, o acesso à energia verde, ou a falta dela, é um desafio significativo para a adoção generalizada, mesmo depois que os custos atingem a paridade.

Tendo isso em mente, a proliferação de veículos elétricos pode resolver o problema de acesso, uma vez que podem atuar como baterias móveis ou criar um caminho bidirecional entre o veículo e a rede. Isso é especialmente benéfico para áreas remotas que não estão conectadas à rede, habilitando essas áreas a criar resiliência de energia caso tenham excesso de energia armazenada. Esta aplicação também pode melhorar a perspectiva para caminhões de Classe VIII (estrada, serviço pesado), ao mesmo tempo reduzir a demanda de energia e a intermitência da rede existente. Como resultado, o V2G será um facilitador significativo de energia verde.

Conclusão

Com todo o movimento e as tendências em torno da energia verde, os principais desafios para a adoção ainda são a intermitência e a ineficiência. Para enfrentá-los, novos desenvolvimentos alavancam os benefícios da descentralização para adicionar um mecanismo de armazenamento intermediário e passar a implementação de energia para a etapa final. Para complementar, os engenheiros estão alavancando os recursos existentes de energia natural para aumentar ainda mais a sua efetividade.

A forma como essas invenções são integradas à rede existente determinará a velocidade e a efetividade da difusão da energia verde.