Mudança climática e satisfação da crescente demanda por energia
by Cedrik Neike, CEO de Infraestrutura Inteligente na Siemens
Porque as soluções energéticas são cada vez mais distribuídas e não centralizadas. As mudanças climáticas e o crescimento populacional sem precedentes estão apresentando desafios, mas também impulsionam a inovação – sobretudo na área de energia elétrica. O negócio de Infraestrutura Inteligente da Siemens está lidando com essas megatendências e fornecendo soluções que criam ambientes que importam. Um componente fundamental: soluções de energia distribuída (DES) que possibilitam descentralizar os sistemas de energia.
A Revolução Industrial, que já está entrando em sua quarta etapa, continua progredindo rapidamente pelo mundo. Suas inovações tecnológicas transformaram a sociedade e reduziram enormemente a pobreza, aumentando substancialmente a expectativa de vida. No entanto, está ficando cada vez mais claro que os combustíveis fósseis dos quais esses avanços rápidos têm dependido até agora estão precipitando uma mudança climática potencialmente desastrosa. A queima dessas fontes de energia produz gases de efeito estufa, incluindo dióxido de carbono e metano, que contribuem para o aquecimento global endêmico. De 1970 até os dias atuais, as emissões globais de CO2 quase dobraram – de 15,9 megatoneladas para 36,2 megatoneladas por ano em 2017.
Alcançar o crescimento necessário, apesar das restrições climáticas
Agora, na porta de entrada para a Quarta Revolução Industrial – que está impulsionando a transformação digital de nossas sociedade e economia – as mudanças climáticas e a descarbonização se tornaram as principais restrições em nossas atividades. Ao mesmo tempo, a população mundial está crescendo, o que leva a uma necessidade global de crescimento econômico contínuo. Até 2050, a Terra abrigará quase 10 bilhões de pessoas, das quais setenta por cento provavelmente viverão nas cidades. Embora nossos recursos estejam diminuindo, todas essas pessoas precisarão de um ambiente limpo e hospitaleiro para se viver. Enfrentar esses desafios exigirá meios eficientes de transporte para as pessoas, além de suprimento confiável de água. Mas, acima de tudo, exigirá uma maneira de suprir a força vital do século 21: a eletricidade.
Mas o que tudo isso significa em termos concretos? Que desafios enfrentaremos no futuro? E quem é responsável por conhecê-los?
Convergência de setores está trazendo novas formas de enfrentar desafios
Quando a Revolução Industrial começou, a geração de eletricidade foi muito descentralizada. Então a geração de energia mudou e houve um estágio de fornecimento de energia grande e descentralizado. Hoje, vamos voltar às raízes. Mas desta vez, nossos métodos serão sustentáveis. Com uma abordagem holística: proprietários de edifícios, produtores de energia e distribuidores enfrentam agora desafios de maior complexidade – mas também oportunidades extraordinárias. Especialmente quando consideramos que os edifícios, incluindo os sistemas relacionados, representam cerca de 40% da energia consumida em todo o mundo.
Hoje, vamos voltar às raízes. Mas desta vez, nossos métodos serão sustentáveis.
O negócio de Infraestrutura Inteligente da Siemens aproveitou essas tendências e oferecerá soluções para atender a essas importantes demandas, ligando de forma inteligente o sistema de energia com soluções de edifícios para criar ambientes que importam. A combinação desses setores estabelecerá um ecossistema de infraestrutura inteligente para redes, prédios e indústrias – um ecossistema que responderá intuitivamente às necessidades atuais das pessoas enquanto protege o planeta para as gerações futuras.
O sistema energético cada vez mais complexo está permitindo e promovendo múltiplos novos papéis e modelos de negócios
Esses ecossistemas – ou ambientes – estão usando cada vez mais energia descarbonizada e descentralizada. Por exemplo, o papel dos edifícios no mercado de energia está ganhando importância: hoje, muitos novos edifícios já estão gerando sua própria energia – com uma porcentagem crescente de energia renovável. No entanto, novas soluções são necessárias para atender à crescente demanda por energia elétrica, que deve dobrar nos próximos 10 anos.
Ao mesmo tempo, precisaremos compensar as flutuações na disponibilidade de fontes de energia renováveis. Na geração de energia, atender a essas demandas poderia envolver o armazenamento no local e o acoplamento do setor – por exemplo, para estabelecer conexões entre os edifícios e as estações de recarga que são necessárias para veículos elétricos.
Novas soluções são necessárias para atender à crescente demanda por energia elétrica, que deve dobrar nos próximos 10 anos.
No futuro, edifícios e infraestruturas devem ser capazes de gerenciar seu consumo de energia de forma inteligente, combinando geração de energia descentralizada com armazenamento de eletricidade excedente – e com capacidade de prever com precisão a demanda de energia e o mix de recursos necessários para atendê-la. Tais medidas otimizarão a demanda, reduzindo custos e aumentando a disponibilidade. Além disso, a fim de garantir uma gestão inteligente não apenas dos edifícios, mas também da rede que os fornece, será necessário manter uma troca contínua de informações entre todos os componentes envolvidos.
Um componente-chave que impulsiona a convergência: soluções de energia distribuída (DES)
As possibilidades de conectar o ecossistema de geração de energia ao ecossistema de consumo de energia são mais do que numerosas. Elas vão desde o controle inteligente da rede e do sistema instalado localmente até soluções inteligentes de armazenamento, e da automação de edifícios e sistemas de controle a switches, válvulas e sensores. Para explicar como será a convergência dos sistemas de fornecimento de energia com edifícios e indústrias, gostaria de me concentrar em um elemento vital que está impulsionando esse novo ecossistema de infraestrutura inteligente: soluções de energia distribuída.
A ascensão das DESs está levando a um fornecimento de energia mais heterogêneo e dinâmico com múltiplos participantes e fluxos de múltiplas camadas de energia, informação e dinheiro, operados de forma autônoma e/ou no modo ilhado, mas também conectados a uma grade maior.
Os especialistas preveem altas taxas de crescimento para as tecnologias associadas às DESs. Por exemplo, a taxa de crescimento anual composta para o mercado de armazenamento de energia deverá exceder 10% entre agora e 2024. Espera-se que a infraestrutura de veículos elétricos se expanda em mais de 30%, e é provável que as soluções de energia distribuída em geral cresçam em cerca de 10%.
Quais os benefícios concretos que as soluções de energia distribuída podem oferecer?
- Aumento da resiliência: Oportunidades para autoridades municipais – mas também distritos e campi, como universidades, hospitais e indústrias – projetarem seus próprios sistemas locais de fornecimento de energia. Esses sistemas podem funcionar em conjunto com a grade geral, mas também podem ser configurados para serem completamente autossuficientes.
- Integração de energias renováveis: As energias renováveis são frequentemente distribuídas (com exceção da energia hidrelétrica, que está intimamente relacionada à geografia, bem como grandes parques eólicos offshore e parques fotovoltaicos em escala pública), e as soluções de energia distribuída ajudam a integrá-las à rede geral. Essa mudança está crescendo em relevância, à medida que os edifícios deixam de ser meros “consumidores” de energia e se tornam “prosumidores” que podem gerar eletricidade por si mesmos – e se transformam em sistemas de armazenamento inteligentes que podem adicionar flexibilidade à rede geral. Além disso, os operadores de edifícios poderiam vender quaisquer excedentes de eletricidade ao mercado de energia ou oferecer suas capacidades para o mercado de flexibilidade de energia.
- Aplicando o princípio de cogeração de forma eficiente: Por exemplo, usando o calor de operações de produção próximas para aquecer ou resfriar edifícios ou mesmo estádios de gelo.
- Economia de energia durante a transmissão: Encurtar as rotas de transmissão ou até mesmo evitá-las completamente pode obter uma economia significativa.
- Aumentando a confiabilidade: Maior confiabilidade da fonte de alimentação local, o que também ajuda a estabilizar os sistemas de distribuição e transmissão.
- Fortalecimento das comunidades: Promover a criação de valor a nível local.
Resumindo: soluções de geração e armazenamento de energia locais, descentralizadas e controláveis podem ser projetadas para fornecer aos usuários finais a resiliência local ou até mesmo independência total da rede – geralmente combinadas com vantagens econômicas excepcionais. Os benefícios também se aplicam aos operadores da rede; essa solução local pode gerenciar a demanda para reduzir as cargas de pico quando a infraestrutura está se aproximando de seus limites de capacidade. E essa abordagem torna possível vender o excesso de capacidade no mercado.
Muitos desses benefícios certamente ainda não são realidade em grande escala hoje. Mas os números disponíveis dos projetos de DES que já foram realizados falam por si: um estudo independente sobre esse tópico mostra que – comparado ao “business as usual” – os operadores de DES estão vendo reduções de custo operacional entre 8% e 28%, combinadas com um retorno do investimento (ROI) de três a sete anos. As emissões de CO2 estão sendo reduzidas em uma escala similar.
Acreditamos que aproveitar essas novas possibilidades e benefícios nos permitirá ajudar a criar ambientes guiados por recursos inteligentes para garantir três vantagens principais: sustentabilidade, fornecimento seguro e confiável de energia e benefícios econômicos.
Ambientes que oferecem inteligência para maior sustentabilidade
Idealmente, o fornecimento de energia em uma base distribuída contribui decisivamente para proteger o meio ambiente e o clima do nosso planeta, consumindo energia onde é gerada e, assim, evitando perdas de transmissão e distribuição. Além disso, o uso de fontes renováveis de energia pode reduzir significativamente as emissões e preservar os recursos naturais.
As soluções de energia distribuída desempenham um papel fundamental, porque foram especialmente projetadas para gerar, armazenar e distribuir energia verde. Fazer bom uso dessas vantagens é vital – particularmente contra o pano de fundo do atual debate sobre a interrupção das mudanças climáticas.
Hoje, tecnologias como a recuperação de calor residual, previsão de algoritmos e medidas para alcançar uma melhor alocação de energia disponível já podem proporcionar uma economia significativa de recursos. Esses benefícios tangíveis podem ser obtidos agora.
Até recentemente, as Ilhas Galápagos estavam – apesar de seu status como Patrimônio Mundial da UNESCO – usando uma fonte de energia à base de diesel para operar hotéis, restaurantes e as residências de seus 2.500 residentes permanentes. Havia inegáveis riscos associados ao transporte do diesel da usina velha do continente, que fica a mil quilômetros de distância. Nos últimos anos, duas grandes cargas de combustível foram derramadas durante o transporte por navio. Esses acidentes danificaram a costa das ilhas e ameaçaram seu frágil ecossistema.
A nova solução projetada para a Usina Híbrida Isabela Island explora uma variedade de recursos de energia para criar um sistema que atenda às demandas de energia locais. Gera uma potência de 1,2 MW e compreende 3.024 painéis solares, cinco geradores e 84 módulos de bateria, todos controlados por uma solução de controle híbrido inteligente. A solução envolve:
- Um sistema fotovoltaico de 952 kWp para coleta de luz solar e conversão em energia elétrica.
- Cinco grupos geradores de motor alternativo de 325 kW projetados para operar com óleo de Jatropha (um biocombustível baseado em óleo vegetal) para atender aos requisitos de geração quando a luz do sol não está disponível (devido ao anoitecer ou cobertura de nuvens, por exemplo).
- Um sistema de armazenamento de 660 kW/333 kWh para permitir transições suaves entre a produção baseada em biocombustível e solar. O armazenamento de eletricidade é um pré-requisito importante para garantir a estabilidade da rede.
- A solução de controle híbrido inteligente, que é o sistema de comando e controle da instalação. Ela fornece automação, otimização e visualização do processo de geração, interconexões entre sistemas e acesso remoto.
Os resultados alcançados nas ilhas Galápagos falam por si:
- 28 toneladas de diesel economizadas mensalmente
- Disponibilidade 24 horas por dia, 7 dias por semana (99% de tempo de atividade)
- 85 toneladas de emissões de CO2 economizadas mensalmente
Ambientes que oferecem inteligência para garantir o fornecimento de energia
Praticamente todas as indústrias – e infraestruturas críticas em particular – dependem fortemente de um fornecimento confiável de energia. As soluções locais de energia ajudam a melhorar a confiabilidade do sistema e aumentam a disponibilidade, a qualidade e a resiliência do fornecimento de energia elétrica. Esses benefícios permitem que as empresas protejam seus processos e se preparem para requisitos futuros, garantindo a escalabilidade.
Um grande exemplo do uso de um sistema de fornecimento de energia regional totalmente renovável para garantir o fornecimento de energia elétrica seria o “Path of WUNsiedel”, um projeto de energia que está sendo implementado por uma cidade na Bavária, na Alemanha. O objetivo é transformar a área de fornecimento da concessionária local pública de Wunsiedel em um sistema totalmente flexível, baseado inteiramente em fontes de energia renovável até 2030.
Acima de tudo, o projeto Wunsiedel demonstra as possibilidades de um bom uso do acoplamento setorial. O acoplamento de setor envolve integração de sistema e rede de diferentes elementos de DES. Operadores de sistemas, por exemplo, podem fazer uso ideal do potencial das energias renováveis hospedando a infraestrutura necessária para o armazenamento temporário de energia eólica e solar. Essas vantagens podem ser obtidas usando a conectividade digital para conectar os sistemas de energia e os consumidores em conjunto.
O resultado é um sistema de fornecimento de energia extremamente confiável e econômico que não apenas suporta e alivia a rede a montante, mas também vende o excedente gerado no mercado de energia (feed-in). O objetivo a longo prazo é criar uma área de fornecimento independente que dependa inteiramente de energias renováveis.
Qual tecnologia suporta Wunsiedel?
- Instalações fotovoltaicas com capacidade superior a 10 MW
- Turbinas eólicas com capacidade superior a 10 MW
- Um sistema de armazenamento elétrico de 8,4 MW/10 MWh para garantir a estabilidade da rede (atualmente na fase de comissionamento)
- Fornecimento de energia e calor através de usinas de energia via satélite com base em aglomerados de madeira produzidos localmente
- Uma solução de armazenamento doméstico inteligente como uma oferta para os consumidores que permite que as residências particulares armazenem a energia solar que produziram – e a utilizem à noite, por exemplo, se necessário
Quais resultados foram alcançados até agora?
- Combinação de diferentes fontes de energia renovável, ativos de geração e consumidores de energia ligados por conectividade digital - o que é vital para fornecer um fornecimento de energia confiável e sustentável
- Em 2017, o consumo de energia verde em Wunsiedel excedeu o consumo da rede pela primeira vez
- Feed-in de um excedente total de eletricidade para a rede a montante em 2018 - com um excedente total médio de cerca de 15 GWh gerado ao longo do ano
- Economia de 144.000 toneladas de CO2 entre 2011 e 2018 em comparação com a geração convencional de energia
Olhando para o futuro: energia-gás ou energia-líquido permitirá outro passo evolutivo. A geração de gás "verde" a partir de fontes de energia renováveis pode permitir o armazenamento de energia a longo prazo a fim de garantir o fornecimento de energia para transporte, indústrias e serviços de rede.
Além disso, os edifícios com armazenamento integrado fornecerão cada vez mais recursos de balanceamento de carga para a rede local. Acumuladores de calor elétricos em espaços residenciais, por exemplo, podem ser usados para deslocar cargas. Em um primeiro projeto em Wunsiedel, dois acumuladores de 6 kW estão conectados a um centro de controle que pode gerenciar os acumuladores de calor elétricos individuais e usá-los para fornecer armazenamento escalável de energia elétrica. Por exemplo, 100 desses sistemas de 6 kW poderiam, no futuro, fornecer um total de até 600 kW de armazenamento que poderia ser usado para suportar e equilibrar uma rede municipal de serviços públicos.
Ambientes que oferecem inteligência para benefícios econômicos
A otimização dos custos de energia é cada vez mais importante para melhorar a competitividade. Existem várias maneiras de atingir esse objetivo. Por um lado, otimizar a combinação de energia pode ajudar a reduzir o custo de compra de eletricidade. Além disso, a redução do consumo geral de energia e o aumento da eficiência energética proporcionam outras duas formas eficazes de cortar custos. Finalmente, o estabelecimento de uma solução energética local permite reduzir as tarifas da rede e gerar receita adicional com a venda de energia excedente para o mercado de energia.
Sello, na cidade finlandesa do distrito de Leppävaara, em Espoo, é um dos maiores centros comerciais da Escandinávia. Cobrindo uma área de 102.000 m2, existem 170 lojas, bem como uma sala de concertos, um hotel e uma biblioteca. Graças à sua localização perto de Helsinque, mais de 24 milhões de pessoas visitam o centro a cada ano.
Em 2010, Sello tornou-se o primeiro shopping center na Europa a tornar-se certificado LEED-EB Gold. Em 2015, também se tornou o primeiro shopping center a obter a certificação LEED-EB Platinum. Para garantir a certificação LEED em andamento, o shopping center exigiu melhorias de modernização e eficiência. Essas atualizações também foram críticas para a retenção de lojistas, que esperam arrendamentos justos e consistentes e baixos custos operacionais. E foi igualmente importante do ponto de vista do marketing: a qualidade do ar é fundamental para a qualidade geral do ambiente de compras, porque os visitantes querem se sentir confortáveis.
A solução: uso inteligente da digitalização. A chave para transformar os dados de construção da Sello em oportunidades foi uma abordagem analítica abrangente e planejada, incluindo análises de tendências em nível de espaço e equipamento e um conjunto personalizado de parâmetros para desempenho de equipamentos e condições ambientais.
Graças a essas percepções, taxas de fluxo de ar otimizadas em restaurantes e reparo e manutenção de instalações de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) levaram a uma economia imediata nos custos de energia, melhorando a qualidade do ar e o conforto para os visitantes. Além disso, avaliações automatizadas de previsão do tempo são usadas para pré-aquecer as entradas e melhorar a segurança dos visitantes durante o inverno, quando há gelo e neve.
Os resultados falam por si. As soluções inteligentes de gerenciamento predial de edifícios e um contrato de serviço de ciclo de vida de nove anos resultaram em reduções de custo significativas. Os benefícios totais anuais chegam a cerca de €650.000, incluindo fluxo de caixa do mercado de energia, economia por meio de medidas de eficiência energética e redução dos custos de manutenção.
Além disso, a Sello conseguiu reduzir seus investimentos em acúmulo de manutenção em €650.000, produz 470 MWh de energia por ano localmente e reduziu suas emissões anuais de carbono em 281 tkg/CO2.
A tecnologia usada em um vislumbre:
- 1.500 pontos de dados de energia e HVAC para análise (com 12.000 pontos de dados no total)
- Painéis solares gerando 750 kWp
- 1,68 MW de armazenamento de bateria
- Carga flexível de 1 MW na tecnologia existente
- Sistemas elétricos para resposta à demanda e funções de microrredes
- Sistema de iluminação LED com uma interface de iluminação digital endereçável (DALI)
- Atualização do sistema de automação e
- 12 estações de carregamento de veículos elétricos em operação
E o projeto continua. Desde o outono de 2018, uma usina virtual implementada no shopping center possibilitou a participação ativa no mercado de energia, por ser flexível no consumo do edifício, de acordo com as necessidades do mercado. Isso é feito conectando o prédio do shopping center à rede geral para formar uma usina virtual e transformando o centro em uma espécie de “usina de reserva”.
O coração da usina virtual é uma plataforma de software, operada pela Siemens, que equilibra de forma inteligente as cargas elétricas de edifícios que foram conectados dentro de uma microrrede, incorporando energia renovável e armazenamento de energia. Com a ajuda desta plataforma, a microrrede da Sello combina eficiência energética, otimização de armazenamento de cargas de pico e sua própria produção de eletricidade. Esta solução é pioneira em um modelo para sistemas de energia distribuída para beneficiar concessionárias, empresas e sociedade.
Soluções de energia distribuída - uma resposta sustentável para os desafios atuais
Vamos ser claros: O caminho para o futuro da energia está indissoluvelmente ligado aos temas de descarbonização, descentralização e digitalização. O objetivo é gerar, fornecer e usar energia de forma inteligente e sustentável. Isso requer pensamento integrador e um olho para o quadro geral - que engloba tudo, desde conceitos de energia inteligentes a acoplamentos setoriais e de infraestrutura de veículos elétricos até a integração de energias renováveis na rede elétrica.
Já existem soluções tecnológicas disponíveis para impulsionar o progresso hoje. Em um primeiro passo, não exigem novas leis, novas regulamentações ou novos desenvolvimentos tecnológicos para aumentar seu impacto. Cidades, empresas e cidadãos podem desempenhar um papel ativo na proteção climática hoje - e criar “ambientes que importam”.
Autor: Cedrik Neike, Membro do Conselho de Administração da Siemens AG e CEO de Infraestrutura Inteligente na Siemens
Créditos das imagens: Siemens AG
