Global system value of tidal stream energy for cost-effective decarbonisation

Declaração do Problema
Projeta-se que a demanda global de eletricidade crescerá significamente até 2050 e 2100, necessitando da rápida implementação de tecnologias maduras de baixo carbono juntamente com a comercialização de tecnologias emergentes. A energia das correntes de maré, que aproveita as correntes subaquáticas, oferece características temporais distintas: é independente do clima, altamente previsível e opera em ciclos diários e semidiários regulares. No entanto, como uma tecnologia pré-comercial, ela enfrenta atualmente custos de capital e de custo nivelado de energia (LCOE) substancialmente mais elevados em comparação com as tecnologias maduras de vento e solar. As avaliações existentes da energia das correntes de maré têm sido limitadas pelo foco em modelagem de despacho determinístico em vez de expansão de capacidade de menor custo, um viés geográfico em direção ao Reino Unido e uma falta de análise sobre como a energia das marés influencia métricas de sistema mais amplas, como requisitos de armazenamento, uso da terra e demanda de materiais. A questão central abordada é se as características operacionais únicas da energia das correntes de maré fornecem valor de sistema suficiente para justificar o seu prêmio de custo em um sistema elétrico global em descarbonização.

Metodologia
Os autores implementaram um modelo de expansão de capacidade de menor custo utilizando o framework Python for Power System Analysis (PyPSA). O estudo avaliou 20 locais de correntes de maré distribuídos globalmente, representando uma ampla gama de condições de recursos solares e eólicos. Cada local foi modelado como um sistema elétrico independente composto por:

• Fotovoltaica solar (PV)
• Eólica onshore
• Geração de corrente de maré
• Armazenamento de energia por bateria (duração fixa de 2 horas, 80% de eficiência de ida e volta)
• Uma turbina a gás de ciclo aberto (OCGT) controlável para atender à demanda residual

O modelo minimizou os custos totais anuais do sistema, otimizando conjuntamente as capacidades instaladas de geração e armazenamento e o despacho horário ao longo de um ano representativo (2019). A otimização foi sujeita a restrições de emissões de carbono progressivamente mais rigorosas, variando de uma redução de 80% até o net-zero (emissões líquidas zero). O estudo utilizou fatores de capacidade solar e eólica horários de dados de reanálise NASA MERRA-2 e velocidades de correntes de maré reconstruídas por meio de análise harmônica ou simulações de modelos hidrodinâmicos.

Para garantir a robustez, os autores realizaram análises de sensibilidade sobre:

• Projeções de custos tecnológicos para 2050 de baixo, central e alto (simulações de Monte Carlo).
• Perfis de demanda variáveis no tempo.
• Especificações alternativas de armazenamento por bateria (duração de 6 horas).
• Redução dos fatores de capacidade das turbinas de corrente de maré.

Principais Contribuições e Resultados
O estudo quantifica o valor do sistema global da energia das correntes de maré, revelando que o seu valor é altamente dependente da mistura dominante de recursos renováveis (vento vs. solar) e do rigor das restrições de carbono.

1. Redução de Custos do Sistema:

   • Sistemas Dominados por Vento: Em regiões onde o vento é o recurso dominante (ex: Pentland Firth, Escócia), a energia das correntes de maré torna-se cada vez mais valiosa à medida que as restrições de carbono se tornam mais rigorosas. Em sistemas de custo mínimo de net-zero, a implantação de correntes de maré reduziu os custos totais do sistema em mais de 20%. Isso é alcançado ao aumentar a diversidade temporal da geração renovável, o que reduz a necessidade de armazenamento por bateria (em 20–55%) e minimiza o corte (curtailment) de energia renovável.
   • Sistemas Influenciados pelo Solar: Em regiões dominadas por recursos solares (ex: Estreito de Akashi, Japão), a energia das correntes de mar é fornece reduções de custo consistentes na maioria da faixa de restrição de emissões de carbono, com benefícios mais modestos do que em locais dominados pelo vento. Em cenários de net-zero, essas reduções de custo são geralmente limitadas a 15% ou menos. À medida que as restrições de carbono se tornam mais rigorosas, a capacidade solar expande-se enquanto a capacidade de maré é gradualmente reduzida, pois o solar combinado com armazenamento pode fornecer grande parte do equilíbrio diário necessário.

2. Mecanismos de Valor:

   • Redução de Armazenamento: O ciclo regular das marés, separado por curtos intervalos de águas paradas, permite que as baterias ciclem mais frequentemente, aumentando a utilidade da bateria e reduzindo a capacidade total de armazenamento necessária.
   • Mitigação de Corte (Curtailment): Ao fornecer geração durante períodos de inadequação do recurso eólico (particularmente períodos de vários dias de baixo vento), a energia das correntes de mar reduz a necessidade de "superdimensionamento" da capacidade renovável para compensar as perdas de armazenamento.
   • Persistência de Recurso: O estudo identifica que a "persistência de recurso" (a ocorrência de geração acima de um limite para uma duração específica) é um motor fundamental. Sistemas dominados pelo vento sofrem com períodos de baixa geração de vários dias que o armazenamento de curta duração não consegue suprir eficientemente; a energia das marés preenche essa lacuna, oferecendo alto valor.

3. Implicações Mais Amplas do Sistema:

   • Capital e Pegada Espacial: A implantação de correntes de mar reduz significativamente os custos de capital "overnight" (10–80% em sistemas net-zero dominados pelo vento) e os requisitos de área de desenvolvimento (frequentemente excedendo uma redução de 30%).
   • Restrições de Materiais: Os requisitos de capacidade de bateria são reduzidos em 30–80% em sistemas dominados pelo vento e 5–45% em sistemas influenciados pelo solar, implicando reduções substanciais na demanda de lítio e aliviando as restrições de materiais para a transição para o net-zero.

4. Métricas Preditivas:

   • A razão entre o fator de capacidade anual solar-vento serve como um forte indicador para triagem de locais. Locais com uma razão abaixo de 0,6 comportam-se como sistemas dominados pelo vento com valor crescente de maré sob restrições rigorosas, enquanto razões acima de 0,45 indicam comportamento influenciado pelo solar.
   • O Custo Nivelado de Energia (LCOE) combinado de um portfólio solar-vento de igual capacidade também serve como um preditor razoável do valor da energia das correntes de mar.

Significância
O artigo afirma que o valor da energia das correntes de mar estende-se muito além do seu custo de geração específico. Mesmo com um prêmio de capital e operação, implantações modestas de maré podem remodelar sistemas elétricos de menor custo, entregando reduções desproporcionais nos custos do sistema, requisitos de infraestrutura e necessidades de materiais.

O estudo conclui que os maiores recursos de maré do mundo, que estão concentrados em regiões dominadas pelo vento (como Pentland Firth, Alderney Race e Cook Strait), têm o potencial de desempenhar um papel significativo na descarbonização profunda e de baixo custo. No entanto, existem também oportunidades em regiões influenciadas pelo solar. Os autores argumentam que as tecnologias renováveis emergentes devem ser avaliadas com base na sua contribuição para o desempenho de todo o sistema e eficiência de recursos, e não apenas em métricas de custo específicas da tecnologia ou disponibilidade de recursos. Este framework fornece um meio para identificar onde e quando as tecnologias emergentes podem fornecer o maior valor de sistema na transição para o net-zero.