“O futuro dependerá daquilo que fazemos no presente.”
Mahatma Gandhi
5 maneiras de armazenar energia e se preparar para o futuro
Em pouco mais de 30 anos, a situação da matriz energética mundial deve ser totalmente diferente do cenário que vemos hoje. Segundo o relatório World Energy Transitions Outlook, da Irena International Renewable Energy Agency, as fontes renováveis devem ser responsáveis por 90% do atendimento ao consumo. O mesmo relatório aponta que, em 2018, 25% da geração de energia mundial foi realizada com energia renovável (eólica e solar, principalmente), como visto na Figura 1.
Bom… mas o artigo era sobre armazenamento, não sobre energias renováveis! Erramos no título? Ou no texto?
Sistemas de armazenamento têm tudo a ver com o crescimento das renováveis. Com mais e mais usinas renováveis participando do atendimento ao consumo de energia, num futuro muito próximo será necessário conectar às redes novos dispositivos para prover flexibilidade operativa ao sistema elétrico. Justamente para atender a esta necessidade é que os sistemas de armazenamento estão ressurgindo em todo o mundo!
Existem diversas tecnologias de armazenamento disponíveis, em diversos estágios de maturidade, desde iniciativas no âmbito de projetos de pesquisa e desenvolvimento até aplicações consolidadas em larga escala. Como princípio básico, durante o processo de carga esses sistemas convertem a energia elétrica em outra forma de energia armazenável (potencial, química, térmica, eletromagnética), sendo a energia armazenada novamente transformada em energia elétrica durante o processo de descarga, gerando um ciclo constante de utilização, conforme ilustrado na Figura 2.
Assim, de forma geral, os sistemas de armazenamento buscam, por meio de ciclos de carregamento e descarregamento, conciliar os padrões de consumo e de produção, tal como ilustrado na Figura 3.
Atualmente, com as evoluções dos mercados de energia no mundo todo, os sistemas de armazenamento permitem que sejam aproveitadas diferenças de preços entre períodos do dia (arbitragem comercial) e sejam prestados outros serviços ao sistema.
Com os avanços tecnológicos, os sistemas de armazenamento também podem prestar serviços de reserva sistêmica, regulação de frequência e suporte aos níveis de tensão, podendo ainda incluir respostas rápidas a variações de consumo ou produção, ou respostas lentas e programadas a variações de carga.
Quanto mais sofisticadas as arquiteturas de mercado, mais opções de prestação de serviços existem. No limite, os sistemas de armazenamento podem estar em qualquer lugar da rede, tal como ilustrado na Figura 4.
Mas de que tipo de armazenamento estamos falando? Quais são as tecnologias?
A energia pode ser armazenada utilizando-se diversas tecnologias: mecânica, química, eletroquímica, elétrica e térmica conforme ilustrado na Figura 5.
Nesse contexto, as cinco tecnologias predominantes são as usinas reversíveis, as baterias, os sistemas de ar comprimido, os sistemas de ar liquefeito e o hidrogênio, detalhados na sequência.
1. Usinas reversíveis
Usinas reversíveis referem-se a um sistema de armazenamento mecânico onde ocorre transferência de água entre reservatórios em diferentes altitudes: inferior (baixa energia potencial) e superior (elevada energia potencial), possibilitando a otimização da geração de energia em momentos de maior necessidade sistêmica ou de preços mais altos. São sistemas flexíveis e podem funcionar em ciclos de operação diários, semanais e até mensais.
Assim, este modelo de usina utiliza um sistema turbo-bomba, sendo a água bombeada de um reservatório inferior, normalmente durante o período de baixa demanda e preços de energia menores, para um reservatório superior e posterior geração de energia elétrica em momentos de alta demanda e preços mais elevados, conforme pode ser visto no vídeo abaixo.
2. Baterias
As baterias são soluções eletroquímicas de armazenamento de energia elétrica, sendo que as principais tecnologias que se desenvolveram nos últimos anos são: chumbo-ácido, íon-lítio, sódio-enxofre e bateria de fluxo.
A tecnologia mais madura e barata refere-se às baterias de chumbo-ácido, porém trata-se de uma opção com limite reduzido de vida útil (em média 5 anos), dificultando sua utilização em larga escala no setor elétrico.
Já a tecnologia mais promissora refere-se às baterias de lítio-íon, baseada em reações eletroquímicas de carga e descarga que ocorrem entre um eletrodo positivo, que é composto por um material litiado, e um eletrodo negativo, que geralmente é composto por um material à base de carbono. Os eletrodos são separados por um material polimérico poroso que permite a troca iônica e que é imerso em um eletrólito composto de sais de lítio.
Devido à capacidade de armazenamento e características operativas, as baterias de lítio-íon possuem uma ampla gama de aplicações, destacando-se: utilização residencial e comercial acopladas com sistemas de geração descentralizada, serviços ancilares, fornecimento de flexibilidade em conjunto com usinas eólicas e solares ou mesmo com usinas termoelétricas para suavização das rampas de acionamento, assegurando partida rápida e desligamento.
Quer ver uma mega bateria conectada à rede? Assista ao vídeo abaixo.
3. Ar comprimido
Este sistema se baseia na compressão do ar e armazenamento em subsolos geológicos vazios – normalmente, cavernas. Durante o processo de descarga, quando a energia armazenada é necessária, o ar liberado é aquecido, expandindo-se e sendo utilizada uma turbina a gás para gerar eletricidade. Há somente dois sistemas em operação: um nos Estados Unidos, comissionado em 1991, e outro na Alemanha, comissionado em 1978.
Devido à capacidade de armazenamento e características operativas, sistemas de armazenamento a ar comprimido possuem uma ampla gama de aplicações, destacando-se: arbitragem de preços, serviços ancilares (black start) e flexibilidade em conjunto com usinas eólicas e solares.
4. Ar liquefeito
A tecnologia de armazenamento de ar liquefeito consiste em um processo industrial de retirada do ar do ambiente e seu resfriamento até a liquefação, sendo armazenado em tanques isolados e em baixas pressões. Quando a energia é necessária, o ar líquido é retirado do tanque, bombeado para alta pressão e evaporado. O ar, já́ em estado gasoso, é utilizado em uma turbina a gás para gerar eletricidade.
Ainda não existem sistemas em operação comercial, se tratando de uma tecnologia ainda em estágio de projetos de pesquisa e desenvolvimento.
A Europa é líder mundial nesta tecnologia, sendo desenvolvida principalmente no Reino Unido, Alemanha e Itália, com participação de quatro empresas: Highview Power em cooperação com GE Nuovo Pignone, e Mitsubishi Hitachi Power em cooperação com a Linde.
Como principal benefício destaca-se a modularidade, sendo possível desenvolver sistemas em larga escala em uma localização flexível, a depender da necessidade.
5. Hidrogênio
O sistema de armazenamento de hidrogênio baseia-se na eletrólise da água, utilizando energia elétrica para separar o hidrogênio, que é armazenado, do oxigênio, que é liberado. Em uma eventual necessidade de energia, recombina-se hidrogênio com oxigênio para produzir eletricidade, sendo calor e água obtidos como um subproduto.
A Volt Robotics possui um artigo falando só sobre hidrogênio:
Quer saber mais sobre armazenamento?
A Volt Robotics fez um trabalho sobre armazenamento de energia para a ABEEólica que está disponível publicamente. Clique na imagem abaixo e confira!
Desde então, a Volt Robotics tem trabalhado no desenho de modelos de negócio para armazenamento e para hidrogênio, e em modelagens matemáticas para que possam ser avaliadas as opções de investimento por diferentes agentes de geração e consumo.
Quer entender um pouco mais como o setor elétrico pode ser o indutor da expansão dos investimentos em hidrogênio? Fale com a Volt Robotics!
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