A quantidade de eletricidade gerada pelas energias renováveis flutua com a variabilidade dos recursos naturais a qualquer momento. O sol não está sempre a brilhar, nem o vento está sempre a soprar, por isso, as centrais de produção de energia tradicionais devem ser mantidas em funcionamento de modo a preencher, a qualquer momento, uma necessidade de energia.
A rede de energia não tem armazenamento e, ao contrário de carvão ou do nuclear, não há controlo sobre a produção flutuante da energia renovável. A energia elétrica que é produzida pelas fontes renováveis tem de ser consumida imediatamente, ou há risco de colapso da rede elétrica.
Em dias particularmente ventosos há períodos de tempo em que a energia gerada pelas turbinas eólicas sobrecarrega a rede elétrica, e em alguns casos leva a falhas de energia, por colapso da rede. Para evitar estas situações, os operadores de grandes parques eólicos têm de pagar aos consumidores para que estes consumam mais eletricidade nos dias ventosos, quando há excesso de energia no sistema, para equilibrar a oferta e o consumo de energia na rede.
Lidar com os intermitentes picos e as baixas das energias renováveis será cada vez mais um desafio, na medida em que os governos vão eliminando gradualmente, nas próximas décadas, as fontes de energia mais estáveis, como o carvão.
Para mitigar ou gerir as flutuações da energia renovável precisamos de entender melhor a natureza das flutuações, indica Mahesh Bandi, responsável pela ‘Collective Interactions Unit’ na ‘Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University’ (OIST).
Mahesh Bandi usou a teoria da turbulência, combinada com dados experimentais de parques eólicos, para explicar a natureza estatística das flutuações da energia eólica. O estudo foi publicado na revista ‘Physical Review Letters’.
Os padrões de velocidade do vento podem ser representados como um espectro de velocidade do vento num gráfico, indica Mahesh Bandi. Em 1941, o físico russo Andrei Kolmogorov elaborou o espectro das flutuações da velocidade do vento e subsequentemente tem vindo a ser provado que o espectro para a energia eólica segue o mesmo padrão.
No entanto, até agora tem sido assumido que esses espectros eram idênticos devido à relação entre potência e velocidade, onde a potência é igual a velocidade do vento ao cubo. Mahesh Bandi mostrou, pela primeira vez, que o espectro de flutuações de energia eólica segue o mesmo padrão que as flutuações da velocidade do vento, mas por uma razão diferente.
O resultado de Andrei Kolmogorov de 1941 aplica-se a medições da velocidade do vento feitas em vários pontos distribuídos no espaço no mesmo momento. Mas as flutuações da energia eólica numa turbina são medidas num local fixo durante um período de tempo prolongado.
As duas medições são fundamentalmente diferentes e, ao explicar cuidadosamente esta diferença, Mahesh Bandi foi capaz de explicar o espectro das flutuações da energia eólica para uma turbina individual.
Podemos pensar em turbulência como uma bola de ar, ou um ‘turbilhão’, de vento flutuante. Os redemoinhos de baixa frequência e de longa duração podem ultrapassar centenas de quilómetros.
Dentro destes grandes redemoinhos há redemoinhos mais curtos na escala de tempo, ou seja de frequência elevada e que podem cobrir alguns quilómetros. Portanto, se todas as turbinas do mesmo parque eólico estiverem dentro dos mesmos redemoinhos de curto e longo prazo, a energia que produzem flutua como se todo o parque fosse uma turbina gigante.
Foi o que Mahesh Bandi descobriu quando estudou as flutuações de energia eólica de todas as turbinas num parque eólico no Texas, EUA.
De facto, até mesmo os parques eólicos geograficamente dispersos podem exibir flutuações correlacionadas na potência, se ‘caírem’ dentro dos mesmos redemoinhos de curto e longo período. No entanto, à medida que a distância entre os parques eólicos aumenta, as flutuações de energia começam a desacoplar-se umas das outras.
Dois parques eólicos geograficamente dispersos podem ter as mesmas flutuações de velocidade de vento de longo período, ao mesmo tempo em que têm flutuações de velocidade do vento na escala de tempo mais curtas completamente distintas.
No passado, alguns cientistas subestimaram o problema da turbulência, argumentando que a energia produzida por turbinas eólicas geograficamente dispersas por locais ventosos e locais calmos, resultará sempre num valor médio quando atingirem uma rede centralizada. No entanto, Mahesh Bandi mostra, pela primeira vez, que esse fenómeno, conhecido como ‘suavização geográfica’, só funciona em certa medida.
O aumento de potência num determinado parque é calculado em média por uma depressão na saída de potência de outro parque distante em altas frequências. Porém, como os parques ainda se enquadram dentro do mesmo redemoinho de tempo, a potência que produzem terá flutuações correlacionadas em baixas frequências.
Um aumento de potência num parque de turbinas eólicas irá coincidir com o aumento num parque distante dentro do mesmo redemoinho num período longo, o que significa que a energia com que alimentam a rede não pode ser média. Isso significa que há um limite natural para a média de flutuações da energia eólica. Um limite para além do qual as flutuações podem continuar a causar estragos na rede.
Mahesh Bandi utilizou nos cálculos dados de 20 parque eólicos do Texas e 224 parques eólicos da Irlanda para mostrar que limite existe na realidade. O especialista indica que “as flutuações na potência da turbina eólica têm implicações imediatas na tomada de decisões económicas e políticas”.
Devido à variabilidade das energias renováveis, as centrais a carvão que fornecem energia de reserva são mantidas em funcionamento para os casos de interrupções bruscas de energia, o que significa que é produzida mais energia do que a necessária.
Neste caso verifica-se que a energia ‘verde’ ainda está a contribuir para emissões de carbono, e há um custo associado à manutenção da energia de reserva, que aumentará à medida que a proporção de renováveis aumentar nos próximos anos.
A descoberta de um limite de suavização geográfica permitirá melhores estimativas do montante operacional de energia de reserva que é preciso manter. Este limite irá também permitir definir a política ambiental.
Ao considerar o limite para a média das flutuações de energia, combinado com a disponibilidade de diferentes recursos renováveis como o sol, o vento e as ondas numa área específica, os decisores políticos estarão melhor preparados para elaborar combinações de diferentes fontes de energia para regiões específicas.
Para Mahesh Bandi, “entender a natureza das flutuações nas turbinas eólicas também poderá abrir outras vias de investigação para outros sistemas flutuantes”.
