O que é inércia?

No dia a dia, inércia significa apenas uma tendência a permanecer inalterado. Quando as pessoas falam sobre serem dominadas por um sentimento de inércia, geralmente querem dizer que estão presas na rotina ou apenas cumprindo tarefas automaticamente. Na física, inércia é a resistência à mudança de velocidade. Sabe quando uma roda de hamster continua girando mesmo depois que o hamster para de correr? Isso é inércia.

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Mas como isso se aplica à energia? Muitos geradores tradicionais (usinas a carvão e gás, além de usinas nucleares) utilizam partes giratórias – como turbinas e geradores – para produzir energia. Essas partes giram em uma frequência que corresponde e sustenta a frequência do sistema elétrico (50 Hz). Quando um gerador perde potência, essas partes móveis tendem a continuar girando na mesma frequência. (Um gerador gira para produzir energia. Se está perdendo potência, provavelmente também estará girando menos.) A energia cinética armazenada nessas partes giratórias é chamada de ‘inércia’.

A inércia ajuda o National Grid ESO a manter a frequência da rede em torno de 50 Hz. Quando há uma variação de frequência, a taxa de variação de frequência (RoCoF) aumenta. (Taxa de variação de frequência refere-se à velocidade da variação da frequência – e é medida em Hz/segundo. Essencialmente, indica o quão robusta está a rede em determinado momento.) A inércia ajuda a desacelerar a RoCoF.

Quando um gerador perde potência, geralmente há uma janela de quatro ou cinco segundos durante a qual essas partes giratórias produzem inércia. No entanto, esses poucos segundos permitem que os sistemas mecânicos da rede detectem o desequilíbrio (por meio do aumento da RoCoF) e instruam os geradores a acelerar ou desacelerar. Nas palavras do próprio ESO, “a inércia se comporta um pouco como os amortecedores da suspensão do seu carro”.

Diminuição da inércia

À medida que nos afastamos das fontes tradicionais de geração (como as mencionadas acima) e avançamos para as renováveis, a inércia do sistema diminui. Isso porque as renováveis – especialmente eólica e solar – não produzem inércia*. A Figura 1 (abaixo) mostra como a inércia média do sistema caiu de 2008 a 2019.

* Você pode se perguntar por que turbinas eólicas não produzem inércia. É porque a energia gerada pelas turbinas eólicas precisa passar por um inversor antes de ser entregue ao sistema. Para contribuir com a inércia, deve haver um acoplamento eletromagnético direto entre a usina e o sistema elétrico. Isso permite que desvios sejam traduzidos em torque mecânico.

Como o gráfico acima mostra, há momentos em que a inércia tende a ser maior ou menor. Quando a demanda total do sistema está baixa, como durante o mínimo de verão, a geração renovável (sem inércia) consegue suprir uma grande parte dessa demanda. Portanto, a baixa inércia ocorre em períodos de baixa demanda e alta geração renovável.

Quando a demanda total do sistema está alta, como no pico do inverno, é necessária mais geração. A geração renovável (sem inércia) não consegue suprir uma parcela tão grande da demanda, e por isso outros tipos de combustível – como usinas tradicionais, que produzem inércia – precisam ser acionados. Assim, a alta inércia ocorre em períodos de alta demanda e baixa geração renovável.

A Figura 2 (abaixo) mostra a correlação entre demanda e inércia. Ela também reforça a queda geral da inércia desde 2009.

Como isso está afetando a frequência da rede?

Com a crescente penetração de fontes renováveis intermitentes e a diminuição da inércia, a volatilidade da frequência aumentou. Graças a uma excelente análise de Grecia Monsalve, podemos ver que o número de eventos de baixa frequência (definidos como momentos em que a frequência do sistema cai mais de 0,3 Hz) e a duração desses eventos aumentaram significativamente de 2014 a 2020. A Figura 3 (abaixo) mostra os gráficos desse artigo.

Qual é a alternativa?

Menor inércia significa que o National Grid ESO precisa encontrar outras formas de desacelerar a RoCoF quando ocorrem desvios de frequência. Uma forma de fazer isso é por meio de seus serviços de resposta de frequência. A Dynamic Containment (DC) é um serviço rápido de resposta pós-falha. Quando a frequência sai dos limites operacionais (±0,2 Hz), o ESO aciona os participantes do DC – sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) – para atuar, trazendo a frequência de volta para perto dos 50 Hz.

A necessidade de Dynamic Containment de baixa frequência (DCL) depende principalmente da quantidade de inércia no sistema em determinado momento. Em períodos de baixa inércia, com maior chance de eventos de RoCoF, a necessidade de DCL é geralmente maior. Isso pode ser visto na Figura 4 (abaixo), retirada de nossa pesquisa recente sobre preços do DC.

No entanto, contratar resposta de frequência tem um custo significativo para o ESO. (Claro, muitos argumentam que o custo vale a pena, já que mantém as luzes acesas e ainda ajuda a substituir a geração térmica tradicional.) A Figura 5 (abaixo) mostra o aumento do custo de gerenciamento da RoCoF. Embora esses valores possam englobar diferentes projetos, é razoável supor – com base nos números apresentados – que a maior parte desses custos se destina à contratação de serviços de resposta de frequência (se incluírem Mandatory Frequency Response). O custo de gerenciamento da RoCoF aumentou cerca de dez vezes nos cinco anos entre 2017 e 2021.

Como mais o ESO está substituindo a inércia?

Além dos serviços de resposta de frequência, o ESO também está buscando outras formas limpas de fornecer inércia ao sistema. Por meio de seus projetos de estabilidade, está financiando a readequação de geradores a vapor e usinas a gás desativadas. Além disso, apoia novas unidades de compensação síncrona e turbinas verdes desenvolvidas para este fim. Para mais informações sobre esses projetos, acesse aqui e aqui.

No vídeo abaixo, você pode ver um timelapse do projeto de turbina verde da Statkraft no Keith Greener Grid Park, em Moray, Escócia.

Leituras adicionais sobre como o ESO mede a inércia do sistema podem ser encontradas aqui.

Como sempre, queremos saber sua opinião sobre este artigo. Se você tiver dúvidas ou quiser acrescentar algo à discussão, basta deixar um comentário abaixo.