100% energias renováveis: o armazenamento de energia em larga escala é possível para energias renováveis?

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É provável que as energias renováveis se tornem muito populares

Você provavelmente já está cansado de ler “nem sempre os dias são ensolarados, e o vento nem sempre sopra”. Nós também. Mas, infelizmente, esse é um problema real.

Estocar energia é uma tarefa tão difícil que a rede elétrica é projetada de tal forma que a eletricidade é consumida no instante em que é produzida. Pense assim: quando alguém acende uma lâmpada, uma usina de energia, em algum lugar, aumenta um pouco sua produção.

Armazenamento de energia – por que e como?

Para explicar brevemente, podemos categorizar o armazenamento de energia em três escalas de tempo:

  • Nível 1 – Segundos-minutos: auxilia quando uma nuvem cobre temporariamente uma usina solar ou quando a demanda por eletricidade atinge um pico inesperado. Você talvez veja termos como “balanceamento de carga” para descrever esse processo.
  • Nível 2 – horas-dias: essa forma de armazenamento de energia nos permite gerar eletricidade quando está ensolarado ou ventoso e utilizá-la quando quisermos, como durante a noite. O armazenamento de energia nesse nível é, geralmente, chamado de “em massa”.
  • Nível 3 – semanas-meses: o armazenamento de energia nesse nível depende das estações, de modo que a eletricidade é gerada durante o verão e armazenada para o inverno. Isso é importante visto que, no inverno, algumas regiões não têm tantos dias ensolarados (a menos que você esteja próximo da linha do equador).

Existe um padrão claro em relação a quais atributos cada tipo de sistema de armazenamento de energia deveria ter:

Requisitos de armazenamento

Armazenamento nível 1 (fácil)

Demanda de eletricidade na Califórnia em 7 de maio de 2020

O círculo mostra o tipo de picos altos e baixos, geralmente inesperados, que o nível 1 de armazenamento tem que suportar. O armazenamento nível 1 já pode ser feito com vário tipos de baterias.

As baterias atuais são velocistas fantásticas, mas precisamos de uma maratonista para os armazenamentos de níveis 2 e 3. Especificamente, precisamos de:

  • Alta escalabilidade (disponibilidade de materiais e espaço)
  • Baixo custo em escala
  • A habilidade de manter a carga por tempo suficiente

Armazenamento nível 2 (esse é difícil)

Por que precisamos de armazenamento ao longo das horas

Painéis solares produzem a maior parte da eletricidade durante o dia, mas a demanda doméstica atinge o auge à noite. O armazenamento nível 2 nos ajudaria a armazenar a eletricidade produzida ao meio-dia, quando ainda há sol, para utilizá-la durante a noite.

Com uma carga de base de energia nuclear sem emissão de carbono, não precisaríamos de tanto armazenamento, porque os pontos mais baixos da curva seriam estimulados.

Além disso, ao utilizar fontes controláveis de energia, como a hidrelétrica e o gás natural (um combustível fóssil), durante o pico de demanda de energia, podemos chegar a 90% de energia limpa, mais 10% de gás com pouca necessidade de armazenamento.

Por que a carga de base e a energia sob demanda ajudam

Armazenamento nível 3 (mais difícil)

A quantidade apropriada de armazenamento sazonal depende de onde você está na Terra. De modo geral, quanto mais longe você estiver do equador, maior a diferença entre os períodos de sol entre os meses de verão e inverno. Isso afeta a quantidade de energia solar que conseguimos captar.

A necessidade de estoque sazonal depende de onde você está

Resolvendo os níveis 2 e 3?

Vamos observar algumas alternativas para baterias e hidrogênio. (Lembre-se que carregar significa colocar energia, e descarregar significa retirar energia.)

  • Hidrelétrica reversível: é carregada através do bombeamento de água a diferentes altitudes. É descarregada ao deixar a água fluir para baixo e acionar uma turbina.
  • Baterias de fluxo: são como baterias normais, mas o cátodo e o ânodo são líquidos.
  • Armazenamento térmico: um enorme refrigerador. É carregado ao utilizar eletricidade para aquecer uma substância e resfriar outra. É descarregado ao utilizar a diferença de temperatura para acionar uma turbina.
  • Ar líquido: é carregado ao esfriar e comprimir o ar até ele se tornar líquido. O ar é armazenado em um tanque, e o descarregamento ocorre quando ele volta a ser um gás e gira uma turbina.
  • Ar comprimido: é carregado ao comprimir o ar em um buraco subterrâneo. É descarregado ao liberar o ar e deixá-lo acionar uma turbina.
  • Volantes de inércia: são carregados ao girarem um grande rotor de forma muito rápida. São descarregados ao converterem energia rotacional para aquecimento ou eletricidade.

Discutiremos brevemente como cada uma dessas alternativas funcionam antes de chegarmos a uma conclusão.

1: Hidrelétricas reversíveis

Hidrelétrica reversível

Hoje, 97% do armazenamento de eletricidade é feito através de hidrelétricas reversíveis. Em locais apropriados, esse método é relativamente barato e pode facilitar o armazenamento a longo prazo.

Hidrelétricas reversíveis são diferentes de usinas hidrelétricas, que funcionam ao fazer com que um rio encha um reservatório. No caso das hidrelétricas reversíveis, apenas armazenamos energia, sem a necessidade de um rio.

Mas, assim como as usinas hidrelétricas, as hidrelétricas reversíveis têm os seus problemas. Muitos países não possuem montanhas o suficiente para construir os armazenamentos para hidrelétricas reversíveis (lembre-se que esse método requer que água seja bombeada para cima). Nos locais onde é possível construí-las, grandes áreas de terra precisam ser alagadas e existem evidências de que isso causa emissões significativas de metano (CH₄).

Ainda assim, as hidrelétricas reversíveis deveriam ser utilizadas onde for ecologicamente aceitável. Por fim, precisamos pesar as desvantagens das alternativas: queimar carvão e gás.

2: Baterias de fluxo – tanques de bateria líquida

Bateria de fluxo

Baterias de fluxo usam ânodos e cátodos líquidos e, apesar de serem feitas de matérias diferentes das baterias de lítio (baterias normais), o princípio é similar:

  • Carregam ao empurrar elétrons do cátodo para o ânodo.
  • Descarregam ao deixar os elétrons fluírem de volta através de um circuito.

As baterias de fluxo apresentam algumas vantagens em relação às baterias normais:

  • A capacidade de armazenamento (tamanho do tanque) e energia (área superficial do eletrodo) são independentes uma da outra. Precisa de mais armazenamento? Aumente o tanque. Precisa de mais energia? Aumente o tamanho da área onde o cátodo e o ânodo se encontram.
  • Vida útil possivelmente maior.

3: Armazenamento térmico

Podemos usar eletricidade para o aquecimento com quase 100% de eficiência. Esse calor pode ser armazenado por algumas horas e, depois, convertido de volta para eletricidade utilizando uma turbina.

Bomba de calor para armazenamento de energia termal com sal fundido e líquido resfriado

Uma forma possivelmente mais efetiva de se realizar o armazenamento termal é o que o refrigerador faz. Ele usa a eletricidade para resfriar uma coisa e aquecer outra. O aparelho que faz isso – na sua geladeira e na tecnologia de armazenamento proposta – é chamado de bomba de calor.

Aqui, o frio é armazenado em um líquido e o calor, em um sal fundido. Pode ser que você se lembre do “sal fundido” do capítulo sobre energia nuclear!

O “inverso” de uma bomba de calor é umamáquina térmica. Máquinas térmicas conseguem transformar uma diferença de temperatura em eletricidade. Essa “diferença de temperatura” é, simplesmente, a temperatura do nosso sal fundido menos a temperatura do líquido resfriado.

4: Ar comprimido – barato e ecológico?

Armazenamento de energia por ar comprimido

Nessa forma de armazenamento de energia, o ar é armazenado no subsolo a altas pressões e pode ser liberado posteriormente para girar uma turbina.

Esse método necessita de grandes reservatórios subterrâneos que não vazem, e nem todo buraco no chão consegue fazer isso. Teoricamente, existem muitas regiões aptas, mas não está claro se a tecnologia poderia aumentar o armazenamento até a quantidade requerida pelos níveis 2 e 3.

Apenas duas usinas já foram construídas, apesar de muitas pessoas estarem trabalhando nessa tecnologia desde 1940.

5: Ar líquido

Armazenamento por ar líquido

Para liquefazer ar, é necessário comprimi-lo e resfriá-lo. O ar líquido é mantido em um tanque de armazenamento e, para fazer com que a energia saia do sistema, um pouco do ar líquido é evaporado.

O ar gasoso ocupa um espaço maior do que o ar líquido. Quando deixamos o líquido evaporar, podemos usar o movimento do ar em expansão para girar uma turbina, que gera eletricidade.

6: Volantes de inércia – gira, gira, gira

Armazenamento de energia em volantes de inércia

Podemos armazenar energia ao girar um rotor, chamado de “volante de inércia”, a altas velocidades no vácuo.

Que forma de energia é essa?


A velocidade do rotor aumenta ou diminui para armazenar ou distribuir eletricidade, podendo ser ajustada quase sem atrasos, o que faz com que esse tipo de armazenamento seja útil para o nível 1. Todavia, volantes de inércia custam muito mais do que outras tecnologias de armazenamento.

A importância do custo

Vamos observar os números de uma nação desenvolvida como os Estados Unidos. Eles usam 3,95 PWh de eletricidade por ano. Isso equivale a 12 MWh, por pessoa, por ano. Dividido por 365, temos 32 kWh por pessoa, por dia. O custo da eletricidade é 0,18 dólares por kWh nos Estados Unidos.

A equação que usaremos é:

Equação para o custo da eletricidade com o armazenamento

O custo total inclui a perda de energia proveniente do armazenamento. A conversão de energia de uma forma para outra, geralmente, envolve perda de energia para o ambiente. Então, primeiramente, precisamos pagar e produzir mais eletricidade.

Os preços variam baseados na região e no fornecedor. Os US$ 150/kWh que usamos antes é o custo bruto da produção. Com o lucro da empresa, instalação in situ, montagem, transporte e P&D inclusos, a mesma empresa (Tesla) que produz baterias por US$ 150 vendeu, recentemente, um pacote enorme de baterias para o operador de um parque eólico por US$ 511/kWh.

O valor médio esperado é um pouco menor do que US$ 350/kWh. Trabalhando assim, chegamos a:

Custo nivelado da bateria (por ano)

Vamos fazer isso para todas as tecnologias que discutimos. Compararemos duas baterias de lítio, dos tipos NCA e LTO. De forma similar, observaremos dois tipos de bateria de fluxo.

Analisando todas as tecnologias de armazenamento de energia

Então, alguma delas é barata o suficiente?

Especialistas acreditam que US$ 20/kWh para armazenamento escalável e independente do local, com uma taxa de retenção muito alta, seria barato o suficiente para ser amplamente implementado.

É por isso que precisamos de inovação e suporte governamental. Espera-se que, até 2030, as baterias de fluxo custem 66% menos, além de terem maior vida útil e taxas de retenção de energia mais altas.

Estamos tentando resolver um problema ainda sem solução. Escolher, hoje, apenas uma tecnologia não seria inteligente – é por isso que o financiamento de pesquisas vai para muitas empresas em paralelo.

De qualquer forma, provavelmente, uniremos diversas soluções para fornecer armazenamento a regiões com diferentes geologias, climas e economias.

Uma coisa está clara: para chegar próximo a 100% de energia renovável, precisaremos de soluções de armazenamento baratas e em grande escala.

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