Com a entrada de mais fontes renováveis no sistema, a frequência da rede elétrica se torna mais volátil. Uma forma de gerenciar isso é por meio dos serviços de resposta de frequência – que geralmente são fornecidos por sistemas de armazenamento de energia em baterias. Assim, à medida que os padrões de frequência mudam, como isso afeta as baterias que ajudam a estabilizar a rede?

Serviços de resposta de frequência

A frequência da rede representa o equilíbrio entre geração e demanda. Quando ambos estão perfeitamente equilibrados, a frequência do sistema fica em 50 Hz.

Quando geração e demanda não estão equilibradas – o que acontece praticamente o tempo todo – a frequência se afasta dos 50 Hz. A frequência aumenta quando a geração supera a demanda, e diminui quando ocorre o contrário.

O National Grid ESO busca manter a frequência entre 49,8 e 50,2 Hz – esses são seus “limites operacionais”. (Há também uma exigência legal para garantir que a frequência permaneça entre 49,5 e 50,5 Hz.)

• Para gerenciar isso, o National Grid ESO conta com serviços de rede. Neste artigo, vamos focar nos serviços de resposta de frequência – que normalmente são fornecidos por sistemas de armazenamento de energia em baterias.
• Se a frequência estiver a menos de 0,015 Hz de 50 Hz, nenhuma ação é necessária – a frequência está dentro da “zona morta”.
• Os serviços de resposta de frequência entram em ação quando a frequência se desvia mais de 0,015 Hz de 50 Hz, em qualquer direção – ou seja, quando sai da “zona morta”.

A frequência está se tornando mais volátil

Até agora, em 2023, a frequência tem passado menos tempo dentro e ao redor da zona morta, e mais tempo afastada dos 50 Hz. Isso significa que a frequência ficou mais volátil – e é necessário mais resposta de frequência.

Isso ocorre principalmente porque há mais geração renovável na rede do que nunca.

• O aumento das renováveis reduziu a inércia da rede (leia mais sobre isso aqui), o que faz com que a frequência varie mais rapidamente quando há desequilíbrio entre geração e demanda.
• Além disso, gera mais volatilidade, já que rajadas de vento e variações na cobertura de nuvens podem causar mudanças rápidas na geração.

Nos últimos anos, houve um aumento na variação da frequência – ou seja, a distância média da frequência em relação aos 50 Hz. Em média, a frequência está agora mais afastada dos 50 Hz do que nunca – em ambas as direções.

Então, o que isso significa para os sistemas de baterias que fornecem resposta de frequência?

As taxas de ciclagem na resposta de frequência estão aumentando

Com esse aumento na variabilidade da frequência, o volume de energia necessário para prestar serviços de resposta de frequência também está aumentando. Isso significa que as baterias precisam ciclar mais vezes para entregar cada serviço.

Em média, o volume de energia necessário para entregar os serviços de resposta de frequência aumentou mais de 3% em 2023.

Aqui, o volume de entrega refere-se ao número de ciclos necessários para prestar cada serviço, considerando uma bateria de uma hora contratada a 100% da potência disponível.

Mas... essas taxas de ciclagem variam bastante

A frequência nem sempre é previsível. Em qualquer dia, a frequência pode ser mais ou menos volátil, ou variar significativamente em uma direção. Isso pode impactar fortemente os requisitos de ciclagem dos serviços de resposta de frequência.

• Dynamic Regulation apresenta a maior variação absoluta nas taxas de ciclagem – mas a Dynamic Moderation tem a variação percentual mais significativa.
• Isso ocorre devido ao aumento da saída quando a frequência se afasta mais de 0,1 Hz dos 50 Hz.
• Nos dias em que a frequência se distancia ainda mais dos 50 Hz, a Dynamic Moderation exige quase o triplo do volume de energia – e, portanto, de ciclos – que as baterias normalmente precisariam fornecer no serviço.

As taxas diárias de ciclagem são determinadas pela variação da frequência ao longo do dia. Quanto mais distante dos 50 Hz a frequência estiver, mais as baterias precisam ciclar nos serviços de resposta de frequência.

Em geral, as taxas de ciclagem em serviços de alta e baixa frequência são inversamente proporcionais. Os dias com maior ciclagem em uma direção tendem a ser os de menor ciclagem na outra. Isso pode impactar fortemente a gestão do estado de carga.

Estudo de caso: resposta de frequência em 1º de abril de 2023

No dia 1º de abril de 2023, a frequência ficou abaixo de 50 Hz durante a maior parte do dia. A frequência média do dia foi de 49,96 Hz – de longe o dia de menor frequência desde antes de 2020! Apesar disso, a frequência permaneceu, na maior parte do tempo, dentro das bandas operacionais de 0,2 Hz.

Essa baixa frequência teve grandes consequências para os provedores de resposta de frequência.

• O impacto na Dynamic Containment foi pequeno (devido à menor exigência de volume de energia).
• No entanto, a Dynamic Moderation teria exigido mais de um ciclo completo de descarga (considerando uma bateria de uma hora contratada a 100% da potência disponível).
• A Firm Frequency Response teria exigido quase dois ciclos completos de descarga.
• E a Dynamic Regulation? 4,8 ciclos de descarga para apenas um de carga.

Como isso afetou os provedores de Dynamic Regulation?

No dia 1º de abril, a diferença entre as necessidades energéticas dos serviços de Dynamic Regulation de alta e baixa frequência fez com que os sistemas contratados para fornecê-los tivessem que recorrer fortemente ao mercado atacadista – para manter carga suficiente e cumprir suas obrigações.

Isso reduziu consideravelmente as receitas que os provedores de Dynamic Regulation conseguiram obter naquele dia. Em alguns casos, os custos de gestão do estado de carga (comprando energia no mercado atacadista) eliminaram completamente as receitas provenientes da resposta de frequência.

Kemsley, uma bateria de 50 MW, contratou em média 56% de sua potência para o serviço de Dynamic Regulation de baixa frequência em 1º de abril. Para cumprir suas obrigações, o ativo precisou recarregar repetidas vezes no mercado atacadista.

O que aprendemos?

• Os requisitos de ciclagem para os serviços de resposta de frequência estão aumentando (em média). Com mais geração renovável entrando no sistema e menor inércia, essa tendência deve continuar.
• Também há mais volatilidade em relação ao número de ciclos que as baterias precisam realizar. Gerenciar isso pode ser caro e atrapalhar bastante as operações programadas.
• A volatilidade nas demandas de ciclagem para Dynamic Regulation significa que, em certos dias, fornecer o serviço pode ultrapassar os limites de ciclagem do ativo – se não houver um gerenciamento adequado.