Os sistemas de armazenamento de energia são considerado por muitos a solução para o gargalo da geração intermitente através de fontes renováveis, como a energia solar e a eólica. Mas o que são os sistemas de armazenamento de energia e como essa tecnologia tem sido usado mundo a fora?
Em muitos países o armazenamento de energia também vem sendo usado para sanar outras demandas do sistema elétrico, tais como a estabilização das variações de tensão que ocorrem nas redes de distribuição ou a eliminação de sobrecargas nas linhas de transmissão.
A indústria já vem incorporando as tecnologias de armazenamento em equipamentos eletrônicos, veículos e turbinas há algum tempo e hoje já não tem como imaginar um smartphone que não dependa de baterias para armazenar energia.
O que são sistemas de armazenamento de energia?
Sistemas de armazenamento de energia são métodos e tecnologias usadas para armazenar energia elétrica. Esses sistemas são necessários em comunidades situadas em regiões remotas, sem acesso à rede elétrica, em equipamentos eletrônicos que devem funcionar sem estarem conectados à uma tomada e, também, no caso de discrepância entre oferta e demanda de energia na rede. Essa discrepância se deve ao fato de fontes renováveis, tais como a energia solar e eólica, serem intermitentes, ou seja, não geram energia quando não há sol ou quando não está ventando.
Qual o papel dos sistemas de armazenamento de energia no sistema elétrico?
Atualmente a energia é distribuída pela rede de distribuição em tempo real, ou seja, a energia elétrica é produzida de forma consistente para atender a demanda dos consumidores. Os sistemas de armazenamento proporcionam ao operador do sistema elétrico a flexibilidade de utilizar a energia elétrica que poderia ser perdida em outro momento. Essa flexibilidade é muito desejada pelos operadores, sendo objeto de pesquisa e testes no mundo inteiro. O potencial de transformar a forma como nós produzimos e consumimos energia é enorme.
Hoje o armazenamento é geralmente usado em cinco aplicações, sendo as três primeiras “à frente do medidor” e as restantes “atrás do medidor”:
- No armazenamento centralizado, que tem como objetivo substituir usinas geradoras “de ponta” (usinas a gás ou diesel/óleo), que são acionadas em horários de maior demanda.
- No suporte à transmissão e distribuição, através da instalação de sistemas de armazenamento próximos à subestações, com a finalidade de estabilizar a rede elétrica.
- No suporte à usinas renováveis de geração centralizada, com sistemas de armazenamento de energia capazes de “amortecer” a intermitência da geração solar ou eólica.
- Em instalações comerciais e industriais, que visam reduzir o custo da energia na ponta e o custo de demanda.
- Em instalações residenciais, para consumidores interessados em ter mais autonomia da rede elétrica e no melhor aproveitamento dos sistemas fotovoltaicos.
Quais são as diferentes formas de armazenamento de energia?
Baterias de estado sólido
São células eletroquímicas que convertem a energia armazenada quimicamente em energia elétrica. Cada célula contém um terminal positivo, ou cátodo, e um terminal negativo, ou ânodo. Os eletrólitos permitem que os íons fluam livremente entre os eletrodos e terminais, dando origem a uma corrente elétrica.
Os avanços tecnológicos e dos materiais utilizados melhoraram bastante a performance e capacidade das baterias modernas. Inovações contínuas criaram tecnologias tais como capacitores eletroquímicos que podem ser carregados e descarregados instantaneamente, e podem apresentar vida útil quase ilimitada.
Exemplos de baterias de estado sólido são as de Íon Lítio (Li-íon), Níquel-Cádmio (Ni-Cd) e as baterias de sal fundido (NaS).
Baterias de fluxo
As baterias de fluxo são um tipo de bateria recarregável onde a recarga é proporcionada por dois componentes químicos dissolvidos em solução e separados por uma membrana.
Uma das maiores vantagens das baterias de fluxo é que elas podem ser recarregadas quase que instantaneamente com a troca da solução eletrolítica.
Diferentes classes de baterias de fluxo foram desenvolvidas, incluindo a redox, híbrida e a sem membrana. A diferença fundamental entre as baterias convencionais e as células de fluxo é que a energia é armazenada com o material do eletrodo na convencional, enquanto na de fluxo ela é armazenada na solução eletrolítica.
Flywheels ou “rodas” inerciais
O Flywheel é um equipamento composto de um rotor no qual a energia cinética é armazenada e pode fornecer energia de forma instantânea. Durante a operação o motor elétrico alimenta o rotor que entra em rotação e armazena a energia cinética angular. Assim, a energia elétrica é convertida em energia mecânica. Quando a energia armazenada é necessária, o rotor é desacelerado e a energia mecânica é convertida novamente em energia elétrica. Flywheels que são projetados para rotacionar em altas velocidades são preferencialmente compostos de um container à vácuo ou à baixa pressão para que as perdas por fricção com o ar sejam minimizadas.
Essa tecnologia tem propriedades bastante interessantes para a melhoria da rede elétrica. O Flywheel é capaz de armazenar a energia de fontes intermitentes e fornecer energia elétrica à rede elétrica de forma ininterrupta e contínua. O Flywheel também é capaz de responder a sinais da rede elétrica instantaneamente, fornecendo energia na frequência adequada, com consequente melhoria na qualidade do fornecimento.
Atualmente a tecnologia vem sendo empregada em navios e metrôs, onde a energia da frenagem dos trens é armazenada e utilizada no arranque das estações. Tipicamente um trem chega a demandar uma potência de 4 megawatts (MW) por 30 segundos para atingir a velocidade de arranque, o equivalente a demanda de pico de 1.000 residências americanas de médio padrão.
Armazenamento de energia em ar comprimido
Os sistemas de armazenamento de energia em ar comprimido permitem que a energia gerada em um determinado momento seja utilizada posteriormente. Na rede elétrica a energia gerada durante períodos de baixa demanda pode ser fornecida nos períodos de alta demanda, ou horários de pico.
Embora essa tecnologia já seja empregada desde 1870 em cidades e indústrias, a primeira usina de grande porte só foi inaugurada em 1970 com uma capacidade de 290 MW. A tecnologia funciona através do bombeamento e armazenando do ar comprimido pressurizado em cavidades geológicas de grandes proporções. Quando a energia é demandada, o ar pressurizado é liberado rotacionando uma turbina conectada a um gerador, produzindo energia elétrica.
Estações de bombeamento de água para reservatórios
A gravidade também pode ser utilizada como uma forma de armazenamento de energia. Nesse caso a água situada em um nível inferior é bombeada para reservatórios de hidrelétricas, assim, a energia potencial é armazenada. Essa técnica já é empregada no mundo todo desde o século passado e a capacidade instalada já ultrapassa 120 GW.
Energia armazenada térmica
Essa técnica consiste na geração de calor ou frio para armazenar energia. Nesse caso a energia elétrica é utilizada para bombear calor do reservatório frio para o reservatório quente (similar a operação de um refrigerador). Para recuperar a energia a bomba de calor é revertida tornando-se uma máquina de calor. O motor retira calor do reservatório quente, produz trabalho mecânico e entrega calor perdido para o reservatório frio. Para gerar eletricidade a máquina de calor fornece trabalho para um gerador.
Outra tecnologia de armazenamento térmico é o uso da energia elétrica para resfriar o ar até que ele seja liquefeito. O ar liquefeito é então armazenado em um tanque. Quando a energia é necessária o ar líquido é convertido ao estado gasoso (através da exposição ao ar ambiente ou do calor gerado em processos industriais) e usado para girar uma turbina, gerando eletricidade. Essa tecnologia é também conhecida como armazenamento de energia criogênico.
Os sistemas de armazenamento de energia são financeiramente viáveis?
Muito se discute sobre a viabilidade dos sistemas de armazenamento. Alguns usos desses sistemas em escala comercial já se provaram viáveis, com a queda nos preços das tecnologias e a redução dos incentivos para energias renováveis é provável que armazenar energia se torne mais lucrativo do que exportar a energia excedente para a rede elétrica.
É comum entidades que têm acesso à dados de uso da rede elétrica ter um entendimento incompleto de como avaliar economicamente o armazenamento de energia. Além disso, há uma tendência de usar valores médios quando as análises são feitas. A agregação dos dados muitas vezes não é aconselhável pois mesmo prédios idênticos e vizinhos podem ter padrões de consumo de energia completamente diferentes. Dessa forma, para identificar o perfil de cliente com maior potencial de viabilidade no uso de sistemas de armazenamento é importante coletar os seguintes dados:
- A energia elétrica gerada e consumida (curvas de demanda) em intervalos de segundos ou minutos por pelo menos um ano;
- As características dos sistemas de armazenamento, incluindo preço e performance;
- O custo da energia elétrica e tarifas.
Pesquisas mostram que os custos do armazenamento de energia podem chegar a $200 por kWh em 2020, a metade do preço em comparação a 2015, e atingir $160 por kWh em 2025. O relatório divulgado pelo Bloomberg New Energy Finance (BNEF) em novembro de 2018 revelou que até 2040 a capacidade do armazenamento de energia no mundo atingirá 942 GW, o que representa um investimento necessário de $620 bilhões. No Brasil estudos mostram que para o armazenamento se tornar viável em aplicações “atrás do medidor”, ou seja, em residências, comércios e indústrias, é necessário a inclusão de políticas voltadas para a redução dos custos dos sistemas de armazenamento e da correta seleção dos valores da Tarifa Branca, uma vez que o “spread” tarifário, a diferença entre a tarifa no horário de ponta e fora de ponta, tem grande impacto no cálculo financeiro.
Referências:
http://energystorage.org/energy-storage
https://www.studentenergy.org/topics/energy-storage
Olá, Felipe, obrigada por compartilhar teu texto, muito bom! Queria te pedir, por favor, a referência da última frase, sobre o contexto brasileiro. Obrigada!
Matéria muito interessante, muito obrigado