As usinas virtuais estão tendo seu momento

A concessionária alemã RWE implementou o primeira usina digital conhecida (VPP) em 2008, agregando nove pequenos hidrelétrica usinas com capacidade complete de 8,6 megawatts. Em geral, um VPP reúne muitos componentes pequenos – como energia photo voltaic no telhadolar bateriase termostatos inteligentes – em um único sistema coordenado sistema de energia. O sistema responde às necessidades da rede sob demanda, seja disponibilizando energia armazenada ou reduzindo o consumo de energia através de dispositivos inteligentes durante os horários de pico.

VPPs tive um momento em meados da década de 2010, mas as condições do mercado e a tecnologia não estavam totalmente alinhadas para que decolassem. Demanda de eletricidade não period alto o suficientee fontes existentes – carvão, gás purenuclear e renováveis ​​– atendeu à procura e manteve os preços estáveis. Além disso, apesar dos custos de {hardware} como painéis solares e as baterias caindo, o software program para vincular e gerenciar esses recursos ficou para trás e não houve muito incentivo financeiro para que ele se atualizasse.

Mas os tempos mudaram e, menos de uma década depois, as estrelas estão a alinhar-se a favor dos VPPs. Estão a atingir um ponto de inflexão na implementação e poderão desempenhar um papel significativo na satisfação da procura de energia durante os próximos 5 a ten anos, de uma forma que seja mais rápida, mais barata e mais ecológica do que outras soluções.

A demanda por eletricidade nos EUA está crescendo

Demanda de eletricidade no Estados Unidos espera-se que crescer 25 por cento até 2030 devido à construção de information facilities, veículos elétricosfabricação e eletrificaçãosegundo estimativas da consultoria de tecnologia ICF Worldwide.

Ao mesmo tempo, uma série de estrangulamentos dificultam a expansão da rede. Há um atraso de pelo menos três a cinco anos em novos turbinas a gás. Centenas de gigawatts de energias renováveis estão definhando em filas de interconexão, onde também há um atraso de até cinco anos. Do lado da entrega, há um falta de transformador que pode levar até cinco anos para ser resolvido, e uma escassez de linhas de transmissão. Tudo isso resulta em um processo longo e lento para adicionar capacidade de geração e entrega, e não ficará mais rápido tão cedo.

“Abastecer veículos elétricos, aquecimento elétrico e centros de dados apenas a partir de abordagens tradicionais aumentaria taxas que já são muito altas”, diz Brad Heavnero diretor executivo da Associação Photo voltaic e de Armazenamento da Califórnia.

Entre na vasta rede de recursos que já estão ativos e conectados à rede — e na tempestade perfeita de fatores que fazem com que agora seja o momento de escalá-los. Adel Nasiriprofessor de engenharia elétrica da Universidade da Carolina do Sul, diz que a variabilidade de cargas de information facilities e veículos elétricos aumentou, assim como a implantação de baterias e armazenamento em escala de rede. Existem mais energia distribuída recursos disponíveis do que havia antes, e a última década assistiu a avanços na gestão da rede utilizando controlos autónomos.

No centro de tudo isso, porém, está a tecnologia que armazena e distribui eletricidade sob demanda: baterias.

Avanços na tecnologia de baterias

Nos últimos 10 anos, preços da bateria despencaram: a média bateria de íon de lítio preço caiu de US$ 715 por quilowatt-hora em 2014 para US$ 115 por kWh em 2024. densidade de energia aumentou simultaneamente graças a uma combinação de avanços em materiais, otimização de design de células de bateria e melhorias no empacotamento de sistemas de bateria, diz Oliver Grossum pesquisador sênior em armazenamento de energia e eletrificação na montadora Stellantis.

As maiores melhorias ocorreram nas baterias cátodos e eletrólitoscom cátodos à base de níquel começando a ser usados ​​há cerca de uma década. “De muitas maneiras, o cátodo limita a capacidade da bateria, portanto, ao desbloquear materiais catódicos de maior capacidade, conseguimos aproveitar a maior capacidade intrínseca dos materiais anódicos”, diz Greg Menosdiretor do Laboratório de Baterias da Universidade de Michigan.

Aumentando a porcentagem de níquel no cátodo (em relação a outros metais) aumenta densidade de energia porque o níquel pode conter mais lítio por grama do que materiais como cobalto ou manganês, trocando mais elétrons e participando mais plenamente das reações redox que movem o lítio para dentro e para fora da bateria. O mesmo vale para o silício, que se tornou mais comum em ânodos. No entanto, há uma compensação: esses materiais causam mais instabilidade estrutural durante o ciclo da bateria.

O ânodo e o cátodo são rodeados por um eletrólito líquido. O eletrólito deve ser elétrica e quimicamente estável quando exposto ao ânodo e ao cátodo, a fim de evitar riscos de segurança, como fuga térmica ou incêndios e rápida degradação. “A verdadeira revolução foram os avanços na química para tornar o eletrólito estável contra materiais catódicos mais reativos para aumentar a densidade de energia”, diz Gross. Aditivos compostos químicos – muitos deles baseados em enxofre e química do boro – pois o eletrólito ajuda a criar camadas estáveis ​​entre ele e os materiais do ânodo e do cátodo. “Eles formam essas camadas protetoras brand no início do processo de fabricação, para que a célula permaneça estável durante toda a sua vida.”

Esses avanços foram feitos principalmente em veículo elétrico baterias, que diferem das baterias em escala de rede porque VEs muitas vezes estão estacionados ou ociosos, enquanto as baterias da rede estão constantemente conectadas e precisam estar prontas para transferir energia. No entanto, diz Gross, “as mesmas abordagens que aumentaram a nossa densidade energética nos VE também podem ser aplicadas para otimizar armazenamento em grade. Os materiais podem ser um pouco diferentes, mas as metodologias são as mesmas.” O materials catódico mais in style para baterias de armazenamento de rede no momento é o fosfato de ferro-lítio, ou LFP.

Graças a estes ganhos técnicos e à redução de custos, foi desencadeado um efeito dominó: quanto mais baterias são utilizadas, mais baratas se tornam, o que estimula mais implantação e cria ciclos de suggestions positivos.

Regiões que sofreram apagões frequentes – como partes do Texas, Califórniae Porto Rico—são um mercado privilegiado para baterias domésticas. Baseado no Texas Poder Básicoque levantou US$ 1 bilhão em financiamento da Série C em outubro, instala baterias nas casas dos clientes e se torna seu varejo fornecedor de energia, carregando as baterias quando o excesso de produção eólica ou photo voltaic barateia os preços e, em seguida, vendendo essa energia de volta à rede quando a demanda aumenta.

Contudo, ainda há espaço para melhorias. Para uma adoção mais ampla, diz Nasiri, “o custo da bateria instalada precisa ficar abaixo de US$ 100 por kWh para grandes implantações de VPP”.

Melhorias no software program VPP

A infraestrutura de software program que antes limitava os VPPs a projetos piloto amadureceu e se tornou uma espinha dorsal digital robusta, tornando viável a operação de VPPs em escala de rede. Os avanços na IA são fundamentais: muitos VPPs agora usam aprendizado de máquina algoritmos para prever flexibilidade de carga, produção photo voltaic e de bateria, comportamento do cliente e eventos de estresse da rede. Isto melhora a confiabilidade da capacidade de um VPP, que historicamente foi uma grande preocupação para os operadores de rede.

Embora os painéis solares tenham avançado, os VPPs foram prejudicados pela falta de avanços semelhantes no software program necessário até recentemente.Corrida Photo voltaic

Cibersegurança e os padrões de interoperabilidade ainda estão em evolução. Os processos de interconexão e a visibilidade dos dados em muitas áreas não são consistentes, dificultando o monitoramento e a coordenação eficaz dos recursos distribuídos. Em suma, embora a tecnologia e a economia para os VPPs estejam firmemente implementadas, ainda há trabalho a ser feito para alinhar a regulamentação, a infraestrutura e o desenho do mercado.

Além das restrições técnicas e de custos, os VPPs têm sido restringidos há muito tempo por regulamentações que os impedem de participar nos mercados de energia como os geradores tradicionais. SolarEdge recentemente anunciado inscrição de mais de 500 megawatts-hora de armazenamento residencial em baterias em seus programas VPP. Tamara Sinenskygerente sênior de serviços de rede da empresa, diz que o maior obstáculo para atingir esse marco não foi técnico – foi o desenho do programa regulatório.

Suporte à rede do lado da demanda da Califórnia (DSGS), lançado em meados de 2022, paga residências, empresas e VPPs para reduzir o uso de eletricidade ou descarregar energia durante emergências na rede. “Observamos um aumento maciço em nossas matrículas no VPP, impulsionado principalmente pelo programa DSGS”, diz Sinensky. Da mesma forma, o VPP do norte da Califórnia da Sunrun forneceu 535 megawatts de energia de baterias domésticas para a rede em julho e viu um Aumento de 400 por cento na participação no VPP do ano passado.

Pedido FERC 2222emitido em 2020, exige que os operadores de rede regionais permitam que os VPPs vendam energia, reduzam a carga ou forneçam serviços de rede diretamente aos operadores do mercado grossista e recebam o mesmo preço de mercado que um tradicional usina para esses serviços. No entanto, muitos estados e regiões da rede ainda não possuem um processo em vigor para cumprir a ordem da FERC. E como as concessionárias lucram com a expansão da rede e não com a implantação de VPP, elas não são incentivadas a integrar VPPs em suas operações. As concessionárias “vêem as baterias dos clientes como concorrentes”, diz Heavner.

De acordo com Nasiri, os VPPs teriam um impacto significativo na rede se conseguissem uma penetração de 2% da potência de pico do mercado. “É necessária uma penetração maior de até 5% por até 4 horas para ter um impacto significativo na capacidade de planejamento e operação da rede”, diz ele.

Por outras palavras, os operadores VPP têm muito trabalho pela frente para continuarem a desbloquear a capacidade flexível em residências, empresas e VEs. Avanços técnicos e políticos adicionais poderão transformar os VPPs de uma ferramenta de fiabilidade de nicho para uma fonte de energia chave e estabilizador de rede para o tumulto energético que se avizinha.