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Os EUA estão se aproximando do fim de um dos verões mais quentes já registrados. Em todo o país, ondas de calor levaram a demanda máxima de eletricidade em alguns dias a níveis muito superiores às médias sazonais.
Os operadores de rede dependem das chamadas usinas de “pico” para garantir que terão suprimento suficiente para atender a esses picos de demanda. As unidades de pico podem iniciar rapidamente e a um custo relativamente baixo, mas elas normalmente queimam mais combustível por unidade de eletricidade produzida do que outros tipos de unidades de combustível fóssil.
Por serem menos eficientes do que outras usinas, os peakers normalmente funcionam apenas durante períodos de alta demanda. Historicamente, os peakers funcionam por menos de 10% do ano, geralmente por apenas algumas horas seguidas.
No entanto, suas maiores emissões por unidade de eletricidade produzida levantam preocupações ambientais e de saúde. Em 2021, havia 999 usinas de pico nos EUA, em todos os 50 estados. Cerca de 70% dessas usinas queimavam gás natural, e o restante era movido a petróleo e carvão.
Para reduzir a poluição do ar e combater as mudanças climáticas, os EUA estão se afastando dos combustíveis fósseis e aumentando o uso de fontes de energia renováveis, como a eólica e a solar. Ironicamente, porém, à medida que as mudanças climáticas geram ondas de calor mais frequentes e intensas, muitos sistemas elétricos estão cada vez mais contando com usinas de pico para equilibrar as flutuações na geração de energia renovável. Propostas para construir novos picos ou estender a vida útil dos antigos geraram controvérsia em estados como Wisconsin, Massachusetts, Texas e Nova York.
Minha pesquisa foca nos custos e benefícios econômicos e ambientais da produção de eletricidade. Veja como a transição para energia limpa está mudando o papel das usinas de pico e algumas outras opções para manter as luzes acesas durante os períodos de pico de demanda.
Balanceamento do fornecimento de energia
Para operadores de sistema, uma característica fundamental de uma usina de energia é se ela pode produzir energia sob demanda. Muitos recursos renováveis, incluindo eólico, solar e certos tipos de energia hidrelétrica, são conhecidos como recursos não despacháveis porque são governados pela natureza, produzindo energia quando as condições permitem. O custo de geração de eletricidade com eles é baixo, então eles são normalmente usados em sua capacidade máxima.
Usinas de energia que funcionam com combustíveis fósseis ou energia nuclear são conhecidas como recursos distribuíveis porque podem produzir energia sempre que necessário. Elas têm custos operacionais mais altos do que as renováveis, no entanto, principalmente porque usinas de gás, carvão, nucleares e de petróleo precisam comprar combustível para operar.
Algumas dessas usinas — historicamente, aquelas que funcionam com carvão ou combustível nuclear — são chamadas de usinas de carga base. Elas geram energia relativamente barata, mas levam tempo para iniciar e aumentar até a potência máxima. Unidades intermediárias produzem energia a um custo maior para cada megawatt-hora adicional produzido, mas podem aumentar e diminuir o ciclo mais rapidamente do que as usinas de carga base. As de pico têm os maiores custos por megawatt-hora, mas podem ajustar sua produção muito rapidamente.
Historicamente, as unidades de carga base operavam o ano todo, com unidades intermediárias ajustando a produção para atender às flutuações de demanda de curto prazo. As usinas de pico eram usadas apenas durante raros períodos de pico de demanda.
Mas, à medida que os fornecedores de energia adicionam mais energia eólica e solar à rede, eles estão usando unidades de combustível fóssil distribuíveis com mais frequência para equilibrar as mudanças na geração renovável – por exemplo, para operar os condicionadores de ar quando o sol se põe, mas as temperaturas ainda estão altas. Isso favorece unidades que podem mudar rapidamente os níveis de produção, mesmo que sejam menos eficientes em termos de combustível. O resultado é um papel crescente para as usinas de pico.
Pontos críticos da justiça ambiental
A produção de eletricidade a partir de combustíveis fósseis nos EUA diminuiu com o investimento em larga escala na geração eólica e solar. Mas as usinas de energia que queimam combustíveis fósseis ainda produzem cerca de 60% da eletricidade dos EUA – e essas usinas emitem poluentes que contribuem para a mudança climática e degradam a qualidade do ar local.
A exposição ao dióxido de enxofre, dióxido de nitrogênio, material particulado e ozônio está ligada a doenças respiratórias e cardiovasculares e morte prematura. Embora a poluição geral do ar tenha diminuído nos EUA nas últimas décadas, bairros de baixa renda e minorias ainda sofrem desproporcionalmente com a má qualidade do ar.
Um relatório de 2022 estima que 32 milhões de americanos vivem a menos de 3 milhas de uma usina de pico. Em 2024, o US Government Accountability Office relatou que comunidades raciais ou étnicas historicamente desfavorecidas tinham estatisticamente mais probabilidade de estar localizadas mais perto do que a média dos picos.
Outras formas de atender à demanda máxima
De que outra forma a oferta e a demanda de eletricidade podem ser equilibradas? Uma opção é usar baterias para armazenar eletricidade quando a produção eólica ou solar estiver alta, e então descarregá-la quando a demanda exceder a oferta de recursos convencionais.
Embora os custos de investimento em baterias sejam altos atualmente, eles devem diminuir significativamente nas próximas décadas. Em 2023, os EUA tinham um total de cerca de 15 gigawatts de capacidade de armazenamento de baterias – equivalente a 15 grandes usinas nucleares – e esse número pode dobrar em 2024.
Outra alternativa é expandir os sistemas de transmissão, o que torna possível extrair eletricidade de unidades de menor custo em áreas distantes em vez de depender de usinas de pico próximas. Construir novas linhas de transmissão, no entanto, traz desafios significativos de regulamentação, permissão e uso do solo.
Uma terceira opção são os programas de resposta à demanda, nos quais os consumidores de eletricidade pagam preços mais altos durante períodos de maior demanda. Isso pode ajudar a reduzir picos e vales na demanda ao longo do dia, beneficiando unidades de carga base mais eficientes, mas menos flexíveis, projetadas para funcionar 24 horas por dia.
A maioria dos consumidores, no entanto, não paga atualmente preços que reflitam mudanças de curto prazo nos custos de eletricidade no atacado. Além disso, é incerto se os clientes residenciais alterariam seu consumo com base em flutuações de preços de curto prazo. Tecnologias como termostatos inteligentes e aplicativos de gerenciamento de energia podem ajudar, tirando o fardo dos consumidores de ajustar manualmente seu uso de eletricidade em resposta às flutuações de preços.
Finalmente, os proprietários de usinas de energia podem investir em tecnologias para reduzir as emissões de unidades de combustíveis fósseis. Os picos geralmente não têm tecnologias de controle de poluição porque não são usados com muita frequência. A modernização de usinas mais antigas para torná-las mais eficientes também pode ajudar, pois produziriam menos emissões para cada unidade de eletricidade.
Esses investimentos são caros, então os formuladores de políticas precisam pesar os benefícios para a saúde da redução da poluição do ar em relação aos custos de investimento para os proprietários de usinas de energia.
O aumento do investimento em energia eólica e solar está reduzindo a poluição do ar local da produção de eletricidade. Mas também está mudando a produção de unidades de carga base termicamente eficientes que não conseguem responder rapidamente a mudanças na demanda ou na produção de energias renováveis. Acredito que é cada vez mais importante explorar políticas que criem incentivos para investir em alternativas como infraestrutura de armazenamento e transmissão de baterias, bem como em atualizações de usinas de energia para reduzir a exposição à poluição.
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