Nossa rede elétrica doente não está cortada para as mudanças climáticas

Em 14 de agosto de 2003, um galho de árvore atingiu uma linha de energia no norte de Ohio. Em questão de minutos, 21 usinas foram desligadas devido a uma série de erros. Cinquenta milhões de pessoas de Ohio e do nordeste dos Estados Unidos e Canadá foram afetadas. Cerca de 100 pessoas morreram.

Algumas áreas recuperaram a energia em poucas horas, enquanto outras esperaram dias. Na cidade de Nova York, as pessoas fugiram do metrô em massa, atravessando pontes para chegar em casa. Outros esperaram horas em filas para comprar baterias e outros suprimentos. Foi um dos maiores apagões da história dos EUA e custou US$ 4 bilhões a US$ 10 bilhões. Começou a lançar luz sobre o quão quebrado é o sistema existente e quanta mudança é necessária.

“Acho incrível que o sistema não seja pior do que é”, diz Johanna Mathieu, professora associada de engenharia elétrica e ciência da computação da Universidade de Michigan. “A maioria das pessoas não aprecia o quão difícil é manter as luzes acesas.” A oferta e a demanda devem estar sempre equilibradas, mas o aumento da tensão na rede está criando novos desafios.

Os apagões estão se tornando mais comuns, à medida que a rede luta para se ajustar à mudança para veículos elétricos e ao aumento da frequência e gravidade das tempestades em meio às mudanças climáticas. Erros que resultam em interrupções debilitantes, como o apagão de 2003, exacerbam as crescentes demandas de energia.

Para neutralizar essas pressões, uma nova geração de acadêmicos preocupados com a confiabilidade da rede está sonhando com soluções. O objetivo: garantir energia confiável agora e no futuro, sabendo que as tensões só vão piorar. As energias renováveis ​​desempenham um papel central nessas atualizações, principalmente para ajudar a reduzir a pressão que as mudanças climáticas colocam na rede.

“Precisamos integrar terawatts de energia renovável. Se não fizermos isso, não poderemos mitigar a mudança do clima nas próximas duas décadas”, diz Mads Almassalkhi, professor associado de engenharia elétrica da Universidade. de Vermont e cientista-chefe do Pacific Northwest National Laboratory, em um episódio de podcast de 2021. “Acho que não há muitos outros problemas mais importantes nas próximas décadas.”

Um sistema construído em 1800

A rede elétrica dos EUA de hoje é composta de 360.000 milhas de linhas de transmissão, o suficiente para circundar o equador da Terra mais de 14 vezes. Mas isso é apenas parte da equação. A rede elétrica completa abrange uma intrincada rede de usinas e sistemas tecnológicos, juntamente com essas linhas de transmissão.

“Qualquer coisa que use eletricidade, na minha cabeça, faz parte da rede elétrica, qualquer coisa que produz eletricidade faz parte da rede elétrica, qualquer coisa que transporta eletricidade faz parte da rede elétrica”, explica Amrit Pandey, professor especial em Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Carnegie Mellon University.

Mas não começou assim.

A rede elétrica nos EUA começou na década de 1880, quando Thomas Edison estreou a primeira usina de energia usando eletricidade de corrente contínua. “Acho que sendo um capitalista, ele disse, ‘OK, eu inventei essa eletricidade. Bem, temos que ganhar dinheiro com isso’”, diz Pandey. Edison inventou um gerador que fornecia eletricidade aos moradores ricos da cidade de Nova York, mas tinha limitações. “O que eles rapidamente começam a perceber é que com o sistema que ele inventou, a eletricidade DC só poderia ser transportada por uma curta distância.”

Nikola Tesla entrou em cena com sua corrente alternada e ganhou uma licitação sobre Edison para estrear sua criação na Feira Mundial de 1893. A eletricidade CA pode se ajustar a diferentes voltagens, tornando-a mais flexível e confiável para transmissão, inclusive em distâncias maiores.

A rede de hoje depende de uma combinação de eletricidade CA e CC, mas a corrente alternada de Tesla, desenvolvida em 1800, ainda é a tecnologia predominante em uso. Com o crescimento do interesse pela eletricidade, as linhas de transmissão se espalharam pelo país.

“Este sistema nunca foi projetado de uma forma ideal que os engenheiros gostam de pensar sobre o design ideal”, diz Mathieu. “Ele apenas foi construído, adicionado e conectado. Não é como você construiria um sistema do zero.”

Uma transformação massiva

“A rede elétrica está passando por uma transformação nunca antes vista”, disse Brandon Morris, gerente de comunicações estratégicas da Midcontinent Independent System Operator, por e-mail. A MISO supervisiona o fluxo de eletricidade em 15 estados, principalmente no Centro-Oeste e Sul, e na província canadense de Manitoba. Carvão, gás e outras fontes de combustíveis fósseis estão sendo trocadas por energia solar e outras renováveis ​​que podem não ter disponibilidade constante devido ao clima e fatores relacionados. Ao mesmo tempo, há uma demanda crescente por eletricidade.

“Se você pensar em como as pessoas consumiam eletricidade em 1990, é muito diferente de como consumimos hoje”, diz Pandey. Todos os dispositivos eletrônicos que usamos hoje colocam mais pressão em uma rede já antiga que apenas algumas décadas atrás só precisava acompanhar geladeiras e outros eletrodomésticos básicos. Gigantes da tecnologia como Google, Meta e outros também consomem uma tonelada de eletricidade, acrescenta.

A mudança climática também tem um efeito sério na rede. Um relatório de 2022 da North American Electric Reliability Corporation alertou que os EUA podem ver um aumento nos apagões devido ao clima severo. O relatório destacou especificamente o MISO como particularmente vulnerável devido a preocupações de confiabilidade associadas à manutenção contínua da rede e ao aumento da demanda de energia.

A seca e o calor extremo em partes dos EUA também podem exacerbar a confiabilidade da rede, segundo o relatório.

“[Blackouts are] acontecendo cada vez mais, é claro, não apenas por causa de erros e pequenos problemas, mas por causa de desastres naturais causados ​​pelas mudanças climáticas”, explica Mathieu, professor da Universidade de Michigan.

Todos esses desafios são agravados pela própria rede, que tem quase 150 anos. “Não está claro como fazer a triagem de alguns desses problemas, porque a infraestrutura é muito antiga e a documentação e os detalhes do que está conectado ao que às vezes não são precisos”, diz Mathieu. “Então você está lidando com coisas velhas, coisas quebradas. É um problema confuso, confuso [trying to keep the lights on].”

Fixação da grade

Os pesquisadores estão explorando diferentes abordagens para enfrentar todos os desafios que a rede dos EUA está enfrentando e, em última análise, manter as luzes acesas. Pandey, professor da Carnegie Mellon, concentra-se principalmente na criação de modelos de computador para identificar diferentes caminhos a seguir.

Como a grade real precisa ser equilibrada o tempo todo, você não pode testar cenários diferentes no mundo real. Modelos de computador são a próxima melhor coisa, diz Pandey. “Vou executar esses diferentes ‘e se?’ cenários e certifique-se de que a rede funcione conforme o esperado ou de forma confiável e, caso contrário, farei algum tipo de tomada de decisão.”

Mas são necessários mais especialistas. “Há dez anos, os engenheiros do sistema de energia podiam operar a rede elétrica de forma confiável. Isso não é mais verdade”, diz Pandey. Agora você precisa de cientistas de dados, matemáticos aplicados, especialistas em sistemas de energia e pessoas que entendem de transporte por causa do surgimento de veículos elétricos. “Você precisa de um ambiente muito colaborativo, pessoas de [all these supply chains] unidos para resolver esses problemas.”

Mathieu está especialmente interessado em recursos de energia distribuídos, ou DERs, para lidar com a mudança na confiabilidade da rede. DERs são soluções que permitem que famílias individuais ajudem a lidar com a tensão na rede usando dispositivos domésticos inteligentes.

Um projeto em que ela está trabalhando concentra-se em condicionadores de ar residenciais e termostatos inteligentes. Para equilibrar melhor o fornecimento e a demanda de energia, um terceiro pode acessar termostatos inteligentes em residências e ajustar quando eles ciclam para manter uma determinada temperatura com base no que está acontecendo com a rede. Mathieu diz que a temperatura desejada para cada casa ainda seria mantida, para que o conforto individual não sofresse.

O desafio é fazer com que os americanos confiem em uma entidade externa com acesso ao termostato Nest ou Ecobee. “Pessoalmente, acho que se as empresas de serviços públicos estivessem executando esses programas, a maioria das pessoas diria não porque não confiam em suas empresas de serviços públicos”, diz Mathieu. “Eles são mais propensos a confiar em uma empresa, o que é um paradigma americano interessante.”

Ela também acha que a construção de energia renovável suficiente para que haja uma superabundância resolveria as preocupações de que a energia solar e outras renováveis ​​sejam tão prontamente disponíveis e confiáveis ​​quanto os combustíveis fósseis, que não dependem das condições climáticas. “Tudo bem se desperdiçarmos um pouco de energia solar”, diz Mathieu. “Não é como se estivesse se transformando em um produto ruim ao desperdiçá-lo – você está apenas desligando a célula solar por algumas horas”.

Almassalkhi, professor da Universidade de Vermont, gosta da ideia de uma rede global. A energia solar pode depender do clima, mas quando é noite em algum lugar, é dia em outro lugar. “O sol brilha a qualquer momento no planeta, em algum lugar”, diz ele no podcast. “Se pudéssemos conectar esses fusos horários com base em estações de painéis solares, parques eólicos em todo o mundo, poderíamos abastecer o mundo inteiro a qualquer momento”.

Qualquer que seja a solução, todos concordam que temos que fazer algo rápido. Embora os EUA tenham sido poupados de grandes apagões neste verão, a tecnologia antiga e o aumento de tempestades, secas e altas temperaturas só continuarão, diz Mathieu. Os custos potenciais, como o país aprendeu com o apagão de 2003, podem ser graves.

“O ano de 2003 [blackout] é o que ensinamos na escola”, acrescenta ela. “É o grande problema, ‘Como isso ficou tão ruim e como podemos consertar isso daqui para frente?’”