Seasonal electricity storage for renewable energy integration : technologies, challenges, and the case of Portugal

Abstract

Com o agravar das consequências das alterações climáticas, a necessidade de redução da emissão de gases com efeito de estufa é agora, mais do que nunca, a maior das prioridades da Humanidade. Para tal, reduzir as emissões resultantes da produção de eletricidade é a principal estratégia, uma vez que este setor é o maior contribuinte para as emissões à escala global. Substituir centrais a combustíveis fósseis por centrais renováveis tem sido a mais importante ferramenta para atingir esse objetivo. Porém, devido à dependência de condições meteorológicas da maior parte dessas fontes, a eletricidade renovável varia substancialmente no espaço e no tempo. Esta variação é normalmente compensada pelo armazenamento de eletricidade em períodos de maior produção, para ser utilizada em períodos de maior procura. Porém, esta variação não se sente apenas numa escala de horas e dias, mas também numa escala de semanas e meses. Este desequilíbrio à escala sazonal, que é relevante a níveis de penetração das renováveis elevados, apresenta uma série de obstáculos técnicos, dada a dificuldade de armazenar grandes quantidades de eletricidade por longos períodos de tempo. Para compreender a magnitude deste desafio e identificar as estratégias que podem ser implementadas para superá-lo, o presente estudo examina as causas e a extensão deste desequilíbrio sazonal, as tecnologias de armazenamento de energia disponíveis, e a posição de Portugal face a este desafio. O presente trabalho está dividido em onze capítulos. No primeiro, uma breve introdução ao desafio do desequilíbrio sazonal de eletricidade renovável é apresentada, as suas causas e a sua posição no contexto do armazenamento de energia. O segundo capítulo explora a extensão deste desafio a uma escala regional, e é explicada a razão pelo qual é muito difícil explorar a extensão deste desafio a uma escala global, focando-se mais no continente europeu. O terceiro capítulo explora a situação portuguesa, com uma descrição da produção de eletricidade em Portugal, o armazenamento já existente, e a análise de vários estudos que tentam antecipar potenciais futuros do sistema elétrico português, incluindo necessidades de armazenamento de eletricidade. O quarto capítulo explora várias tecnologias de armazenamento de eletricidade populares, tais como baterias e supercondensadores, e explica as razões destas não serem adequadas à escala sazonal. O quinto, sexto, e sétimos capítulos exploram as principais tecnologias de armazenamento de eletricidade que podem ser utilizadas num contexto sazonal. O quinto capítulo explora a tecnologia de armazenamento mais disseminada mundialmente, a hídrica de bombagem, que se baseia na transferência de água entre dois reservatórios a cotas diferentes, armazenado energia na forma de energia potencial gravítica. O sexto capítulo explora ar comprimido, que é uma tecnologia já utilizada em algumas instalações e que se baseia em comprimir ar quando o sistema está a carregar, e utilizar esse ar comprimido para acionar uma turbina ligada a um gerador, produzindo eletricidade, quando o sistema está a descarregar. O sétimo capítulo explora a utilização de hidrogénio como forma de armazenamento de energia, as suas formas de produção, a injeção direta na rede de gás natural, a síntese de combustíveis sintéticos a partir deste, as diferentes formas de armazenamento, com especial destaque para armazenamento em estruturas geológicas subterrâneas, e a sua utilização para a produção de eletricidade, tanto através de células de combustível como através da sua combustão em turbinas a gás. As atuais e potenciais futuras utilizações destas tecnologias em Portugal também são exploradas. O oitavo capítulo explora outras tecnologias que poderão ser implementadas num contexto sazonal, mas que ainda estão em estados de desenvolvimento iniciais, tais como ar líquido e sistemas híbridos. O nono capítulo faz uma breve comparação das diferentes tecnologias apresentadas anteriormente, e apresenta possíveis critérios de comparação entre estas.No décimo capítulo, um pequeno exercício, consistindo em modelar um futuro sistema elétrico português, apenas abastecido por fontes renováveis, é feito para poder examinar a necessidade de armazenamento sazonal em Portugal, num futuro próximo. Este modelo, executado na ferramenta Excel, é baseado em balanços horários de produção, consumo e armazenamento ao longo de um ano. Os perfis de produção e consumo são baseados em dados de gestores de redes nacionais, e a infraestrutura de armazenamento é modelada em dois componentes: um representando hídrica de bombagem, baseado em dados reais, e outro representando hidrogénio, que serve como armazenamento sazonal. As capacidades instaladas são baseadas nas projeções do Plano Nacional de Energia e Clima 2021-2030, mais especificamente, a versão revista de 2023. Vários cenários são testados, começando com modelos de calibração, e gradualmente evoluindo para modelos mais realistas, incluindo fatores como eficiências de armazenamento e contribuições de cursos de água. Adicionalmente, várias técnicas são avaliadas para uma melhor otimização do sistema, tais como sobreprodução de renováveis, curtailment e variação de capacidades instaladas. Os resultados deste exercício estão alinhados com a literatura analisada no início deste trabalho. Estes indicam a viabilidade de alimentar Portugal exclusivamente com eletricidade proveniente de fontes renováveis, sem a necessidade de grandes alterações na atual infraestrutura de armazenamento de energia, desde que as capacidades de produção sejam adequadamente instaladas. Os primeiros resultados mostram que a necessidade de armazenamento, para além da capacidade já instalada na forma de hídrica de bombagem, prende-se maioritariamente por excesso de produção. A energia que o sistema elétrico necessita ao longo do ano, e que não pode ser abastecida pela produção e armazenamento por bombagem, é calculada em cerca de 35 GWh, com uma potência máxima de 1,8 GW, valores modestos em comparação à escala do demais sistema elétrico. Porém, a capacidade requerida para o sistema de hidrogénio, e as respetivas potências, apresentam valores bastante significativos, causados pelo excesso de produção, resultante do facto de as capacidades projetadas para 2030 estarem associadas à produção de hidrogénio e outros gases renováveis para outros setores, sendo que a fração de renováveis na eletricidade projetada para esse ano ser de apenas 80%. Como tal, duas técnicas são implementadas para reduzir a capacidade requerida do sistema, curtailment e reduzir as capacidades instaladas. É calculado que, com um curtailment de 11% da produção total, a capacidade requerida do sistema sazonal reduz dos 11,6 TWh para os 5,70 TWh, e que as potências associadas reduzem dos 17,8 GW para os 3 GW, respetivamente. Adicionalmente, é estudada a diminuição desta capacidade com o aumento do curtailment, até atingir um limite superior, estimado entre 20% e 21%. Calcula-se também que uma redução de 3,5 GW na capacidade instalada resulta numa capacidade de armazenamento de hidrogénio de 5,9 TWh e num excesso de produção anual de 1,3 TWh. Ultimamente, estas duas técnicas são combinadas, com curtailment de 2% e redução da potência instalada em 3,5 GW, resultando numa capacidade de armazenamento de hidrogénio de 4,7 TWh, um excesso de energia ao final do ano de 38,7 GWh, e uma potência necessária de eletrolisadores de 4 GW. Este último cenário segue a tendência dos anteriores, com a energia que o sistema de produção e bombagem hídrica não conseguem abastecer, essencialmente a eletricidade que o hidrogénio tem de armazenar, calculada apenas em 38,8 GWh, com uma potência máxima de 1,8 GW. No décimo primeiro capítulo, são dadas as principais conclusões deste estudo. Apesar dos resultados promissores, um sistema adicional é, contudo, sugerido, devido à necessidade de integrar outros setores energéticos, e para garantir segurança de abastecimento em casos de condições meteorológicas adversas prolongadas. Um possível sistema de armazenamento desta natureza poderá ser constituído por armazenamento subterrâneo de hidrogénio em cavernas de sal, ligadas a centrais de ciclo combinado modificadas para operar com hidrogénio. Este sistema permitiria armazenar energia para períodos com condições meteorológicas adversas, nomeadamente períodos de seca prolongada, e a utilização de hidrogénio permitiria a integração de outras necessidades energéticas, tais como transporte ou calor.

With the increasing severity and frequency of extreme weather events, spurred by Climate Change, the use of renewable sources for electricity production has risen exponentially over the last decades. Due to their variability, these sources often require storage, which is challenging to achieve when addressing the seasonal scale mismatch between production and demand. This need for seasonal storage is the main focus of this work. Firstly, the causes and scope of this mismatch are explained, followed by a detailed analysis of the Portuguese context. Several popular technologies are examined, and their inapplicability in a seasonal context is discussed. The primary technologies used for seasonal storage, namely pumped hydropower, compressed air, and hydrogen, are thoroughly analysed. Additional technologies that are in earlier stages of development are also explored. A brief comparison between these technologies is provided, focusing on commonly used comparison parameters. Finally, an exercise exploring the need for seasonal storage in Portugal is conducted. This is achieved by modelling the Portuguese electricity system for the year 2030, assuming it is entirely powered by renewable sources. This modelling is based on hourly production, load, and storage balances. The storage infrastructure is divided into two components: one based on pumped hydropower and the other on hydrogen, which is used for seasonal storage. The necessity of this second component is evaluated, concluding that it is not entirely necessary from an electricity storage perspective. However, such a system remains essential for integrating other sectors and ensuring supply security during extreme weather events, such as prolonged droughts.