When the Grid Overflows: A Novel Probabilistic Framework to Assess the Success of Storing Excess Electricity as Heat under Historical Surplus Regimes in High-Temperature ATES (HT-ATES) Systems

Resumo Técnico: Quando a Rede Transborda: Um Novo Modelo Probabilístico para Avaliar o Sucesso do Armazenamento de Excedente Elétrico como Calor sob Regimes de Excedente Históricos em Sistemas HT-ATES (Aquifer Thermal Energy Storage de Alta Temperatura)

Definição do Problema
A rápida expansão da eletricidade renovável variável (VRE) nos sistemas elétricos europeus, particularmente na Alemanha e na França, tem levado a períodos recorrentes de excedente de eletricidade, onde a geração excede a demanda instantânea e a flexibilidade do sistema. Embora a conversão deste excedente em calor via tecnologias de Power-to-Heat (PtH) ofereça um caminho para utilizar energia que de outra forma seria cortada (curtailment), existe um descompasso temporal fundamental: os picos de geração renovável (ex: vento no inverno, solar no verão) frequentemente não se alinham com a demanda de aquecimento sazonal. O Armazenamento Térmico Sazonal (STES) é necessário para preencher essa lacuna. No entanto, as avaliações de viabilidade tradicionais para o ATES baseiam-se em métricas estáticas de Probabilidade de Sucesso (PoS) geológica (ex: temperatura do reservatório, transmissividade). Esses modelos estáticos falham em capturar a dinâmica operacional de conversão de eletricidade renovável flutuante em calor utilizável ao longo do tempo, deixando uma lacuna na compreensão de se um aquífero geologicamente adequado pode atender de forma confiável a metas específicas de calor sazonal sob regimes de excedente realistas.

Metodologia
O estudo propõe uma definição operacional de PoS: a probabilidade de um sistema ATES entregar uma meta de calor sazonal predefinida sob condições operacionais realistas, em vez de meramente possuir a capacidade geológica para armazenar calor. A metodologia emprega um modelo de inventário baseado em Monte Carlo aplicado ao sistema HT-ATES de Neubrandenburg, na Alemanha, como estudo de caso.

1. Base de Dados: O modelo utiliza dados empíricos semanais de excedente de eletricidade da Alemanha (2015–2022), um período caracterizado pela coexistência de carga de base nuclear e expansão de renováveis. Estes dados são discretizados em treze intervalos de 4 semanas para preservar a variabilidade sazonal.
2. Lógica de Inventário: O modelo simula ciclos anuais de armazenamento usando uma abordagem de "inventário de negócio". Ele monitora o inventário térmico do aquífero ($S_b$) através de intervalos de tempo sequenciais, sendo limitado por:
   • Limites de Injeção: O mínimo entre o excedente de eletricidade disponível (convertido em calor), limites de vazão hidráulica (taxa de fluxo $\times$ diferença de temperatura) e a capacidade restante do aquífero.
   • Limites de Produção: O mínimo entre a demanda de calor sazonal, taxas de produção sustentáveis máximas e a energia armazenada disponível.
   • Fator de Recuperação: Uma eficiência de recuperação de 70% é aplicada à energia extraída.
3. Simulação: O modelo executa 20.000 realizações de Monte Carlo. Em cada iteração, os valores de excedente de eletricidade são amostrados aleatoriamente do conjunto de dados históricos para janelas de carga específicas (primavera e final do verão), enquanto a produção é restrita às temporadas de aquecimento.
4. Critérios de Sucesso: Uma simulação é considerada "bem-sucedida" se o calor cumulativo entregue durante o ciclo de produção de inverno atingir ou exceder um alvo específico (variando de 1 GWh a escalas de nível municipal).

Principais Contribuições

• Estrutura de PoS Operacional: O artigo altera a definição de sucesso do projeto de proxies geológicos estáticos para uma métrica dinâmica e orientada pela demanda, que integra restrições de subsuperfície com condições estocásticas do sistema elétrico.
• Reamostragem Empírica: Ao contrário de abordagens que dependem de distribuições de probabilidade ajustadas, o estudo utiliza reamostragem bootstrap não paramétrica de dados de excedentes históricos, preservando a assimetria observada, a variabilidade e os padrões sazonais do sistema elétrico alemão.
• Análise de Throughput vs. Capacidade: O framework distingue explicitamente entre o volume total de armazenamento de um aquífero e o throughput térmico efetivo (capacidade de potência) determinado pelas taxas de fluxo e diferenças de temperatura, identificando este último como o principal gargalo para o armazenamento sazonal.

Resultados
Aplicado a um sistema de aquífero de arenito profundo representativo em Neubrandenburg (capacidade de 12 GWh, vazão de 80 m³/h, diferença de temperatura de 20 K, fator de recuperação de 0,7), o estudo apresenta as seguintes conclusões:

• Curva de Probabilidade de Sucesso (PoS): Para alvos baixos (até ~2,5 GWh), a PoS permanece próxima de 100%. A PoS declina para aproximadamente 50% em um alvo de 3,5 GWh e aproxima-se de zero para alvos que excedem 4–5 GWh.
• Limitações do Sistema: O declínio acentuado da PoS não se deve à falta de volume total de armazenamento (o aquífero retém 12 GWh), mas é governado por restrições de throughput térmico. O sistema é "limitado por potência" em vez de "limitado por armazenamento"; a taxa na qual o calor pode ser injetado e recuperado restringe o total de energia sazonal que pode ser efetivamente utilizado.
• Limitações de Escala: Uma configuração única de doublet não pode atender aos alvos de demanda de escala de distrito (50 GWh) ou de nível municipal (128 GWh), resultando em uma PoS de zero para essas escalas.
• Análise de Sensibilidade: O aumento das taxas de fluxo ou das diferenças de temperatura desloca a curva de PoS para a direita, permitindo alvos mais altos antes da falha. No entanto, a forma fundamental da curva permanece inalterada, confirmando que o gargalo de throughput é uma restrição inerente ao sistema que não pode ser eliminada apenas pelo ajuste de parâmetros.

Significância e Alegações
O artigo afirma que sua estrutura proposta fornece uma metodologia transferível e baseada em cenários para avaliar a viabilidade de ATES, indo além das avaliações de risco estáticas tradicionais. Ao redefinir o sucesso como a probabilidade de atingir um benchmark de entrega de calor, o estudo oferece uma avaliação mais realista de como os sistemas ATES podem funcionar dentro de sistemas energéticos acoplados por setores.

Os autores sustentam que a adequação geológica por si só não garante o sucesso operacional; em vez disso, o sucesso é conjuntamente limitado pela capacidade de armazenamento e pela capacidade de transferência. O estudo destaca que, para que o ATES sirva como uma solução viável de armazenamento de longa duração para o excedente de eletricidade, os designs de sistemas devem priorizar a escalabilidade hidráulica (ex: configurações de múltiplos doublets) para superar as limitações de throughput. Além disso, o framework sugere que, num contexto europeu mais amplo, os sistemas ATES em regiões geologicamente adequadas (como a Bacia do Norte da Alemanha) poderiam funcionar como buffers sazonais para trocas elétricas transfronteiriças, convertendo o excedente exportado em calor de inverno despachável, desde que o throughput operacional seja suficientemente escalonado. A metodologia é apresentada como uma ferramenta de apoio à decisão para que planejadores avaliem o desempenho do armazenamento sob condições de contorno realistas e estocásticas.