Nessa estação será necessária uma infraestrutura com tanque para armazenamento de etanol, um reator para reformar do etanol, um compressor de alta pressão para o H2 produzido e ainda um reservatório para armazená-lo. Essa infraestrutura demandará também o suprimento de água para o reator e de energia elétrica para o compressor.

Uma vez abastecidos, os veículos levarão o H2 comprimido para uma Célula a Combustível embarcada, a qual produzirá energia elétrica para a propulsão do veículo por motores elétricos. A Rota 1, na figura mostrada, apresenta essa alternativa destacando as respectivas eficiências ao longo do processo.

Figura: Comparação de eficiência entre três diferentes rotas para uso do etanol na mobilidade: Rota 1 – Veículo a Hidrogênio de Etanol; Rota 2 – Veículo Clássico a Etanol e Rota 3 – Veículo Híbrido a Etanol.

Comparação entre as diferentes rotas:

1. Veículo a Hidrogênio de Etanol

Ainda na estação de serviço, a Rota 1 tem o H2 produzido em um reator que reforma o etanol com vapor de água a altas temperaturas (de 500 a 780°C) e o pressuriza para armazenamento. As eficiências dessas etapas foram estimadas como sendo de 75% e 90% respectivamente. Combinadas com a eficiência de uma Célula a Combustível que foi estimada em 50% e associada ainda à eficiência de 93% de um motor elétrico chegamos a uma eficiência global da ordem de 31%. Nessa rota foi assumido o uso de freio regenerativo.

Quanto ao custo, essa rota envolve operações de maior complexidade e em maior número, além da necessidade de água (cerca de 5kg por kg de H2 produzido) e de energia elétrica como insumo. Tais características implicam em investimento maior no veículo e em novas estações de serviço.

• Veículo Clássico a Etanol

Na Rota 2 foi assumido o uso de freio dissipativo que reduz a eficiência média global do veículo em cerca de 25%. A eficiência de um Motor de Combustão Interna – MCI a álcool foi assumida, em regime de operação variável, como tendo eficiência de 31%. Considerando-se  o freio dissipativo, chegamos a uma eficiência Global de 23%.

Essa rota envolve a menor complexidade dentre as três consideradas, implicando em menor necessidade de investimento inicial no veículo e dispensando investimento em estações de serviço.

• Veículo Híbrido a Etanol

Na Rota 3 a eficiência do MCI a álcool, em condições ótimas de operação alimentando um gerador foi estimada em 32%. Combinada com a eficiência do motor elétrico nos leva a uma eficiência global de 30%. Tal como na Rota 1, foi assumido o uso de freio regenerativo.

A Rota 3 envolve complexidade intermediária entre as duas outras rotas, implicando em investimento inicial no veículo igualmente intermediário e dispensando investimento em estações de serviço.

Como se pode observar, a Rota 1 – Veículo a Hidrogênio de Etanol tem um desempenho energético melhor que a Rota 2 – Veículo Clássico a Etanol, mas muito próximo do desempenho da Rota 3 – Veículo Híbrido a Etanol, embora  apresente o inconveniente de um custo sensivelmente superior às rotas 1 e 2, além de demandar água como insumo.

Professor Mario Olavo Magno de Carvalho | Consultor da SER

A SER RENOVÁVEIS incentiva ativamente o debate sobre temas relacionados aos seus negócios, pois acreditamos que isso contribui para enriquecer as discussões. Portanto, é importante destacar que as opiniões expressas por nossos articulistas não refletem, necessariamente, a posição oficial da empresa.

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Hibridização de Usinas:

A combinação inteligente de diferentes fontes de energia renovável, como a solar fotovoltaica, eólica, hídrica e biomassa, em um mesmo sistema, maximiza a eficiência e a confiabilidade do fornecimento energético. No contexto do Cinturão Solar, a hibridização pode trazer benefícios como:

• Aproveitamento do Potencial Solar: A hibridização permite integrar a energia solar com outras fontes, garantindo o fornecimento de energia mesmo durante períodos de menor irradiação solar.
• Complementaridade entre as Fontes: A combinação de diferentes fontes, como solar e eólica, cria sinergia e otimiza a geração de energia ao longo do dia.
• Resiliência do Sistema: A diversificação da matriz energética aumenta a resiliência do sistema elétrico, reduzindo a vulnerabilidade a variações climáticas e interrupções no fornecimento.

Precificação de Carbono:

A precificação de carbono é um mecanismo essencial para impulsionar a descarbonização da economia e incentivar investimentos em tecnologias e práticas mais limpas. No Brasil, a precificação de carbono pode contribuir para:

• Acelerar a Transição Energética: Ao atribuir um custo às emissões de gases de efeito estufa, a precificação de carbono incentiva a adoção de energias renováveis e a redução da dependência de combustíveis fósseis.
• Promover a Inovação: A precificação de carbono estimula o desenvolvimento e a aplicação de tecnologias limpas e inovadoras, impulsionando a competitividade do setor energético brasileiro.
• Geração de Receitas: A receita gerada com a precificação de carbono pode ser direcionada para investimentos em projetos de sustentabilidade, como a conservação de florestas e o desenvolvimento de comunidades.

A SER Renováveis e o Cinturão Solar:

A SER Renováveis, com foco em projetos de geração centralizada de energia renovável, reconhece a importância da hibridização de usinas e da precificação de carbono para o desenvolvimento sustentável do Brasil. No Cinturão Solar, buscamos desenvolver projetos inovadores que contribuam para a transição energética e a construção de um futuro mais limpo e próspero.

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Diversas combinações, como por exemplo a hibridização eólico-solar, valem-se de suas complementaridades, em certas regiões geográficas, de forma a tornar a oferta de energia mais uniforme (flat). Infelizmente, isoladamente ou mesmo com hibridizações, essas fontes ainda mantêm a curva de geração de energia pouco flexível e afastada da condição desejável da oferta de energia, seja pela intermitência e variabilidade dessas fontes, seja pelas características também variáveis da curva de demanda de energia do SIN. Tal descasamento, combinado com limitações regionais de linhas de transmissão, levam à necessidade de corte da geração renovável (curtailment) feito pelo ONS, um problema grave que aflige o setor.

Sem dúvida, a possibilidade de armazenamento de energia minimizaria bastante esse problema agregando flexibilidade ao despacho da geração solar ou eólica que são totalmente inflexíveis. Isto significa que não é possível despachar para a rede uma potência menor que aquela disponibilizada por essas fontes, a menos que parte dessa potência seja dissipada (perdida). Para evitar essa perda faz-se necessário um sistema de armazenamento de energia como um BESS, por exemplo. Embora isso seja possível, aos custos atuais das baterias essa solução ainda é muito cara, conquanto se encontre próxima ao limiar de viabilidade econômica.

Outra estratégia muito conveniente seria hibridizar fontes de energia solar ou eólica, ou mesmo ambas com uma outra fonte também renovável, mas flexível. No Brasil a fonte hidrelétrica, responsável por cerca de 70% da geração elétrica, é a candidata natural e poderia usar a capacidade de acumulação de seus reservatórios[1] de forma a atender à necessidade de armazenamento de uma Usina Fotovoltaica – UFV, por exemplo. O armazenamento feito por essa via apresenta uma eficiência superior a qualquer alternativa de armazenamento, sem grande impacto econômico ou ambiental. Apesar de o maior potencial eólico e solar, muitas vezes não se encontrarem próximos à Usinas Hidrelétricas – UHEs, uma avaliação econômica criteriosa pode indicar a conveniência dessa associação, mesmo incluindo o custo adicional de uma linha de transmissão.

Uma Usina Fotovoltaica Flutuante – UFF, com sua vantagem logística, também poderia atender à hibridização entre usinas hidrelétricas e usinas solares, no entanto, com as tecnologias atualmente disponíveis, o seu CAPEX ainda é sensivelmente mais elevado que o das UFVs convencionais.

Soluções análogas poderiam também ser obtidas por arranjos híbridos entre UFVs ou EOLs com Usinas Termoelétricas – UTEs movidas a biomassa (também renovável), contudo tal alternativa não será abordada nesse artigo.

Professor Mario Olavo Magno de Carvalho | Consultor da SER

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[1] Existe ainda a possibilidade de supermotorização dessas UHEs de forma a lhes aumentar a flexibilidade, caso necessário.

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Além dessa flexibilidade proporcionada pelo armazenamento térmico de energia, os Data Centers podem permitir uma flexibilidade a mais, qual seja, a flexibilidadeproporcionada pela transferência massiva quase instantânea de dados através de fibras óticase, consequentemente, a transferência de carga de processamento entre diferentes Data Centers em pontos afastados do planeta. Em particular, entre pontos onde a disponibilidade de energia renovável e intermitente seja distinta.

Os Data Centers podem, com isso, comutar geograficamente o local de demanda de energia para processamento de dados.

Assim, considerando a distribuição geográfica mundial de Data Centers, havendo conectividade de dados, em alguma medida é possível transferir dados e com isso também transferir a demanda de energia de um Data Center para outro com a maior disponibilidade de energia renovável. Isso corresponde, de certa forma a substituir a transmissão de energia(mais cara) pela transmissão de dados que é bem mais eficiente do ponto de vista energético.

Essa possibilidade sinaliza para um mecanismo importante que permitecompatibilizar o atendimento da grande demanda energética de Data Centers com a demanda regional da rede em que está inserido, através de fontes renováveis intermitentes (em particular com a energia solar).

Para se ter uma ideia, tal mecanismo poderia ocorrer entre diferentes Data Centers localizados no Brasil, em um país europeu ou norte africano e em uma cidade na costa oeste dos EUA. Considerando a diferença de fuso horário de cerca de 4 ou 5 horas para mais ou para menos entre os meridianos correspondentes a esses Data Centers e havendo canal eficiente de comunicação de dados entre eles, tal estratégia poderia ser implementada.

A flexibilidade na geração através do armazenamento elétrico, via BESS por exemplo, poderá ainda ser necessária, mas de forma apenas complementar e em menor escala.Teríamos, assim, carga e geração, ambas com alguma flexibilidade, que se amoldariam reciprocamente de forma a acomodar a carga de Data Centers ao SIN.

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Na indústria de cloro-álcalis, apenas em 2013 no Brasil, foram utilizados 4.006 GWh de energia elétrica para a produção de 1.248 mil toneladas de cloro, através da eletrólise aquosa (a partir de um eletrólito solúvel em água). Isso corresponde a um consumo de 3,2MWh por tonelada de cloro produzido, conforme dados da Abiclor. A energia elétrica é o principal insumo nessa indústria eletrointensiva representando cerca de 45% do custo final de produção. Além do cloro e do hidróxido de sódio, essa indústria também produz o H2V como subproduto[1].

O cloro e seus derivados estão entre os produtos mais usados pela indústria química. O hidróxido de sódio (soda cáustica), outro produto dessa indústria, encontra também larga aplicação na indústria, tendo forte participação na fabricação de papel, e do PVC. Além disso, a soda cáustica é um insumo importante na produção de alumínio e em toda a cadeia do lítio, cuja exploração está em franca expansão devido ao seu uso em baterias.

A eletrólise ígnea (a partir de um eletrólito fundido) é frequentemente utilizada para a extração e purificação de substâncias não ionizáveis em água. Entre suas aplicações mais importantes podemos citar a produção de Alumínio (15 MWh/t Al), a purificação do Cobre (4 MWh/t Cu) e a produção de outros metais como Níquel, Nióbio e Lítio.

De acordo com o BEN, o setor de mineração responde por cerca de 2% do consumo de energia elétrica no país, sendo que boa parte dessa energia é destinada diretamente à separação química por eletrólise e aos processos de beneficiamento, separação física e purificação de minérios.

A produção do H2V por eletrólise consome cerca de 65 MWh/t H₂ (com um rendimento inferior a 65%). Sua utilização em aplicações industriais pode ser considerada uma rota indireta para o uso de energia elétrica renovável (EER) na indústria, contribuindo para a descarbonização da economia. Esse mesmo propósito pode ser alcançado pelo uso direto da energia renovável na indústria, por exemplo, através da eletrólise. Resta determinar qual dessas rotas alcança o melhor desempenho na redução das emissões de gases de efeito estufa em relação a quantidade de EER utilizada.

Embora se dê muita ênfase ao papel do H2V na descarbonização da economia, um mercado mais direto e eficiente para o uso da EER com esse propósito poderia ser o da produção industrial de alumínio, cloro e derivados, cobre e outros produtos eletrointensivos, tornando-os “mais verdes” e buscando, inclusive, o mercado de exportação.

Se considerarmos a distribuição geográfica dos recursos energéticos renováveis e minerais no país, poderemos identificar nichos de mercado para a utilização da EER, especialmente daquelas provenientes de fontes solar e eólica.

[1] Segundo a Abiclor, as indústrias brasileiras de Cloro-Álcalis, têm capacidade para produzir 40 mil toneladas de H2V por ano.

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Em uma primeira abordagem, seríamos levados a buscar uma dentre as alternativas de armazenamento de energia elétrica, possivelmente um BESS, que garantisse uma regularização ao menos diária da geração. A flexibilidade proporcionada pelo armazenamento, embora de custo elevado, proporciona um melhor casamento (matching) da oferta não firme de energia renovável com a demanda dos Data Centers.

Grande parte dessa demanda, cerca de 40%, se destina à refrigeração para retirada de calor produzido pelo volume massivo de processamento de dados nos servidores dos Data Centers, que devem ser mantidos em uma temperatura controlada entre 15 e 22°C.

Tal característica sinaliza para a possibilidade de armazenamento térmico de calor a baixa temperatura, junto à carga. Esse armazenamento poderia, por exemplo, ser feito na forma de gelo (vulgarmente denominado “armazenamento do frio”). Assim procedendo, teríamos a possibilidade de adequar (ao menos em parte) a carga térmica demandada à oferta de energia de forma muito mais econômica. Essa flexibilidade introduzida na demanda de energia pode ser bastante importante, considerando-se a elevada carga de refrigeração exigida pelos Data Centers, e reduziria a necessidade de flexibilidade na geração.

A flexibilidade na geração, através do armazenamento elétrico, poderá ainda ser necessária, mas de forma apenas complementar e em menor escala. Teríamos, assim, carga e geração, ambas com alguma flexibilidade, que se amoldariam reciprocamente para mais facilmente alcançar o referido matching. Isto é, através do armazenamento híbrido de energia elétrica na geração e de energia térmica na carga. Tal solução para o suprimento energético de Data Centers se apresenta promissora, devido a uma redução importante no custo final do armazenamento híbrido.

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