A descarbonização do setor do aquecimento coloca desafios significativos em muitos países. As bombas de calor surgiram como uma tecnologia chave, convertendo a energia ambiente no ar, na água ou no solo com a ajuda de eletricidade renovável em energia de aquecimento útil. A Alemanha, tal como muitos países europeus, ainda depende fortemente de sistemas de aquecimento baseados em combustíveis fósseis. As bombas de calor podem substituir as tradicionais caldeiras a óleo e gás. Para reduzir as emissões de carbono e reduzir a dependência das importações de combustíveis fósseis — uma questão intensificada pela invasão russa da Ucrânia — o governo alemão estabeleceu uma meta de ter 6 milhões de bombas de calor instaladas até 2030. Isto é mais de três vezes o número atual de aproximadamente 1,9. milhões em 2024.
Flexibilidade no setor de energia
A necessidade de flexibilidade aumenta à medida que o sector da energia transita cada vez mais para energias renováveis e integra novos consumidores, como veículos eléctricos, bombas de calor e utilizadores industriais. Opções de flexibilidade, como armazenamento de energia e transferência de carga, podem permitir um melhor alinhamento entre oferta e procura. As bombas de calor desempenham um papel importante neste contexto, uma vez que aumentam a procura international de eletricidade, o que pode representar desafios adicionais durante períodos de baixa disponibilidade de energia renovável. Mas se as bombas de calor forem operadas de forma flexível, afastando o consumo de electricidade das horas de pico de procura de calor, podem tornar-se uma solução importante para aumentar a flexibilidade do sistema de energia.
O impacto da operação flexível da bomba de calor
Para explorar esta questão, analisamos o setor energético alemão e os seus países vizinhos utilizando um modelo do setor energético de código aberto para 2030. Em diferentes cenários com números variados de bombas de calor na Alemanha, avaliamos os efeitos da operação flexível da bomba de calor na energia sistema. A flexibilidade é modelada equipando as bombas de calor com armazenamento térmico. Esta análise revela vários insights importantes:
Armazenamento de calor e suavização de demanda
O armazenamento de calor permite que as bombas de calor funcionem de forma flexível, extraindo eletricidade durante períodos de energia renovável abundante (por exemplo, tardes ensolaradas) e armazenando-a para utilização posterior. Mesmo com uma capacidade de armazenamento de calor de curta duração, de duas horas, a necessidade de centrais eléctricas a gás adicionais e de armazenamento de baterias pode ser significativamente reduzida. No entanto, o armazenamento de longa duração apresenta retornos decrescentes, tornando os sistemas pequenos e de curta duração uma solução econômica. Sistemas de armazenamento maiores serão provavelmente mais adequados para redes de aquecimento urbano.
O mapa de calor abaixo ilustra os padrões de procura de eletricidade das bombas de calor para diversas capacidades de armazenamento. Sem armazenamento de calor (painel esquerdo), a procura é relativamente constante durante todo o dia, acompanhando a procura de calor. À medida que a capacidade de armazenamento aumenta, a procura muda para o meio-dia, alinhando-se com a disponibilidade de energia photo voltaic.
A energia photo voltaic pode fornecer eletricidade verde adicional
Uma expansão das bombas de calor requer capacidades adicionais das centrais eléctricas. No inverno, o vento sopra com mais frequência do que o sol brilha. Assim, a energia eólica alinha-se melhor com a procura de calor. No entanto, se a expansão adicional da energia eólica for limitada, por exemplo, devido a razões políticas ou outras, a energia photo voltaic fotovoltaica (PV) também pode ser utilizada para complementar uma ambiciosa implementação de bombas de calor.
Reduções no gás pure e nas emissões
Uma implementação ambiciosa de 10 milhões de bombas de calor até 2030 poderia reduzir em mais de metade a procura privada e comercial de gás pure na Alemanha para aquecimento, poupando até 206 terawatts-hora anualmente. Isto se traduziria em uma redução de 50% nas emissões de CO relacionadas às famílias.₂ emissões, equivalentes a aproximadamente 42 milhões de toneladas de CO₂ por ano. Mesmo com uma implantação mais reduzida, de acordo com o objectivo do governo alemão de 6 milhões de bombas de calor até 2030, a procura de gás pure ainda diminuiria 20%, com o CO doméstico₂ emissões caindo 18%.
Custos e benefícios econômicos
Embora as bombas de calor impliquem custos adicionais para a adição de novas centrais eléctricas, estes custos são compensados pelas poupanças resultantes da redução do consumo de gás pure e da redução das emissões de carbono. Dependendo do número presumido de bombas de calor instaladas e dos preços do gás, as poupanças líquidas anuais poderão variar entre 2 mil milhões de euros e 27 mil milhões de euros por ano.
Os sinais de preços de mercado são importantes
Permitir o funcionamento flexível das bombas de calor exige que os agregados familiares adotem tarifas de eletricidade com preços grossistas por hora. No entanto, a maioria dos consumidores alemães paga actualmente tarifas fixas, o que limita a sua capacidade de ajustar o consumo com base nos sinais de preços. Um pré-requisito técnico para preços flexíveis é a implantação generalizada de «medidores inteligentes» necessários para a medição contínua do consumo. Com preços flexíveis, os consumidores seriam incentivados a optimizar a sua procura de electricidade, o que não só reduziria as suas facturas privadas, mas também beneficiaria todo o sistema energético.
Resumo
A substituição de caldeiras a gás pure por bombas de calor oferece reduções significativas de carbono e economia de custos. A operação flexível das bombas de calor, apoiada pelo armazenamento de calor de curta duração, suaviza o impacto das bombas de calor nos sistemas de energia e reduz a dependência de dispendiosas centrais eléctricas de reserva e de armazenamento de electricidade. Esta abordagem não só apoia os objetivos de descarbonização, mas também aumenta a resiliência e a eficiência do sistema energético.
Esta postagem do weblog é baseada em descobertas de “Benefícios do setor de energia com bombas de calor flexíveis em cenários de 2030” por Roth et al., publicado em Communications Earth & Setting.
