Alternativas Não Químicas às Baterias para a Transição Energética

As Baterias São a Ideia Correta?

A abordagem preferida para remover os combustíveis fósseis das economias industrializadas tem sido a eletrificação. O objetivo é substituir veículos com motor de combustão interna (ICE) por veículos elétricos (EVs) e produzir calor com bombas de calor em vez de combustão. Isso foi investigado em detalhes em nosso artigo “O Futuro da Mobilidade – Tecnologia de Baterias”.

O problema é que, para que essa mudança seja realmente ‘verde’, a eletricidade precisa vir de fontes renováveis ou sustentáveis – que, dependendo de quem você pergunte, podem incluir a energia nuclear.

Em ambos os casos, as variações na demanda de eletricidade ao longo do dia e das estações significam que seria necessário construir muita capacidade ociosa que ficaria inativa na maior parte do tempo. Isso é especialmente verdadeiro para as renováveis, já que a energia solar tem desempenho inferior em invernos frios e nublados, e o vento pode parar de soprar por semanas.

Portanto, há uma necessidade urgente de armazenamento de energia de longo prazo. Uma solução pode ser baterias em escala de utilidade, aproveitando novas químicas que oferecem custos menores ou outras vantagens. Isso foi investigado em detalhes em nosso artigo “O Futuro do Armazenamento de Energia – Tecnologia de Baterias em Escala de Utilidade“. Outra opção é produzir algum tipo de combustível líquido que possa ser armazenado até ser necessário, como hidrogênio líquido ou amônia líquida, por exemplo, algo que detalhamos em nossos artigos “O Outro Combustível de Hidrogênio – Top 5 Ações de Amônia Verde” & “Biocombustível de Algas: A Próxima Revolução Energética?”.

Mas e se a forma adequada de armazenar energia por dias, semanas, meses ou até anos não fosse com baterias? Neste artigo, examinaremos todas as opções não químicas para armazenamento de energia.

Ar Comprimido

Vantagens do Ar Comprimido

Comprimir ar requer muita energia. Essa mesma energia pode ser parcialmente recuperada ao descomprimir o ar armazenado.

Uma vantagem fundamental dessa técnica é que ela utiliza apenas componentes mecânicos como tubos, bombas e tanques, que exigem apenas materiais simples como aço, ao invés de materiais raros como terras raras, cobalto, lítio, etc. Poderia ainda contar com um reservatório de gás natural esgotado, proporcionando um “tanque” absolutamente enorme a um custo muito baixo. E, claro, o ar é um suprimento totalmente gratuito e disponível em qualquer lugar.

Fonte: Electricity Forum

Outra vantagem é que a compressão de ar é uma tecnologia bem compreendida, com uma cadeia de suprimentos muito bem estabelecida, que poderia estar pronta para escalar rapidamente, se necessário. Também é um sistema que pode armazenar energia por um período muito longo com pouca ou nenhuma perda.

Desvantagens do Ar Comprimido

Um problema fundamental para tornar o ar comprimido eficiente é um fenômeno físico que ocorre ao comprimir qualquer gás. Calor é gerado durante a compressão. Esse calor geralmente precisa ser dissipado para evitar danos ao sistema de compressão, resultando em energia perdida. O ar também esfria ao ser descomprimido, frequentemente necessitando de sistemas de aquecimento.

30‑40% da energia pode ser perdida por causa disso. Pode ser ainda pior em projetos menos eficientes. Até agora, a melhor eficiência em escala foi alcançada na China, com perdas de 30%, na planta de 400 MWh de Zhangjiakou projetada pela Academia Chinesa de Ciências.

Portanto, embora o ar comprimido possa ser uma opção aceitável para armazenamento de baixo custo e longo prazo entre as estações, as perdas inevitáveis de mais de 30% de energia prejudicam a economia do sistema. Só se o calor produzido durante a compressão puder ser reciclado em outro processo esses sistemas poderão se tornar realmente eficientes.

Baterias de Gravidade

Na física, qualquer objeto que sobe é considerado como adquirindo um nível maior de “energia potencial”. Essa energia se manifesta como movimento descendente assim que o objeto é permitido descer. Deste fato surgiu a ideia de usar a gravidade para armazenar energia.

Hidrelétrica de Bombeamento

Esta é a forma mais comumente usada de armazenamento de energia em escala de utilidade hoje, representando 90% da capacidade global de armazenamento de energia em redes em 2020, segundo o Banco de Dados Global de Armazenamento de Energia do Departamento de Energia.

A geração hidrelétrica utiliza o potencial energético da água da chuva, armazena-a atrás de barragens e a libera para produzir energia. A hidrelétrica de bombeamento usa eletricidade para bombear a água de volta para a usina hidrelétrica.

A barragem de armazenamento também pode ser construída exclusivamente para o armazenamento por bombeamento, exigindo apenas um terreno ondulado em comparação com grandes barragens hidrelétricas que geralmente requerem terrenos montanhosos. Alternativamente, pode‑se usar um reservatório subterrâneo.

Fonte: Energy.gov

As perdas de energia geralmente ficam na faixa de 20‑30%. O armazenamento pode durar vários meses com perdas limitadas, pelo menos em regiões que não são muito quentes. O requisito de capital pode ser bastante alto, mas as instalações de hidrelétrica de bombeamento também são extremamente duráveis.

Uma ideia intrigante, apenas discutida mas nunca testada em escala, é usar eletrólise para transformar a água em altitude mais baixa em hidrogênio. Esse hidrogênio, mais leve que o ar, é então conduzido para cima “sem consumo de energia”. Em seguida, ele é reformado em água (devolvendo parte da energia consumida pela eletrólise). Essa água então gera energia novamente ao descer através de uma turbina hidrelétrica.

Embora potencialmente com uma eficiência geral muito melhor que a hidrelétrica de bombeamento, o tamanho dos eletrólitos necessários poderia tornar o sistema ainda bastante caro.

Armazenamento de Energia em Concreto/Pedra

A água não é a única coisa que pode ser armazenada para acumular energia com a gravidade. Rochas, blocos de concreto e outros objetos ultra‑pesados também podem ser usados.

Nesse caso, a tecnologia necessária é ainda mais simples que a da hidrelétrica de bombeamento, pois depende principalmente de guindastes e alternadores para armazenar a energia e devolvê‑la. Guindastes e rochas também não são materiais raros.

A grande vantagem desses sistemas é sua eficiência. A maior parte da energia perdida na hidrelétrica de bombeamento provém da turbulência na água, reduzindo a eficiência da bomba. Em contraste, guindastes e cabos podem apresentar perdas tão baixas quanto 15% (um quarto a menos de perdas que na hidrelétrica de bombeamento).

Atualmente, as empresas Gravitricity e Energy Vault (NRGV )  (NYSE – NRGV) têm promovido esses conceitos.

A Gravitricity recicla poços de minas abandonadas para acessar poços já existentes e fáceis de manejar, com várias centenas de metros de profundidade, para armazenar energia com seu sistema GraviStore.

A Energy Vault, por sua vez, busca construções dedicadas, com blocos subindo e descendo conforme a demanda de energia.

Com centenas de milhares de minas em todo o mundo, isso pode ter um potencial muito maior do que muitos imaginam e se beneficia do fato de que a infraestrutura já existe. A empresa está buscando uma parceria com a gigante industrial sueca ABB para finalizar o desenvolvimento de sua tecnologia, bem como acessar a enorme base de clientes de mineração da ABB.

Fonte: ABB

A limitação do “armazenamento sólido de energia” com gravidade é que a energia armazenada em apenas algumas dezenas ou centenas de metros não é tão grande. Uma opção é simplesmente ter quantidade suficiente, como centenas de milhares de poços de minas como a Gravitricity, ou enormes “armazéns” dedicados como a Energy Vault.

Outra opção é ter profundidades muito maiores. Para isso, leitos submarinos profundos próximos à costa são uma alternativa. Uma plataforma flutuante poderia ficar acima de tal área e baixar ou elevar um peso por vários milhares de metros. Esse conceito é chamado de Armazenamento de Energia Gravitacional em Oceano Profundo (DOGES). Uma empresa que trabalha nesse conceito é a startup francesa Sink Float Solutions.

Fonte: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions afirma um potencial de até 80% de eficiência e custos muito baixos.

“Atualmente, guindastes offshore com a maior capacidade de carga podem levantar massas de 4000 toneladas, o que, a uma velocidade vertical de 20 km/h, corresponderia a uma potência de 200 MW. Várias guinchos no mesmo local podem ser usados em paralelo.”

A economia real desses sistemas dependerá muito de sua durabilidade, sendo a corrosão das partes mecânicas pela água do mar a principal preocupação.

Baterias de Areia/Calor

Muita eletricidade é usada para produzir calor, seja para uso industrial ou para aquecer casas e apartamentos no inverno. Em vez de armazenar eletricidade como uma bateria química, uma bateria de areia busca armazenar calor diretamente.

A ideia é construir um grande silo (como os usados para grãos), preenchê‑lo com areia e adicionar isolamento. A areia é então aquecida até 400 °C. Como a areia tem baixa condutividade térmica E alta massa térmica, pode armazenar MUITA energia. Também é muito resistente, não sofrendo danos mesmo a temperaturas tão altas.

Fonte: Polar Night Energy

Esse conceito baseia‑se em tecnologia muito simples, com tubos padrão, bombas de ar, resistência elétrica, aço e areia de baixa qualidade que não pode ser usada em aplicações como concreto.

O líder dessa tecnologia é a empresa finlandesa Polar Night Energy. Este é um conceito que funciona especialmente bem em países nórdicos com “aquecimento distrital” pré‑existente, onde água quente para radiadores é produzida em um local centralizado para centenas ou milhares de apartamentos. Isso ocorre notavelmente na Escandinávia, Alemanha e na maior parte da Europa Oriental e dos países da ex‑URSS.

Como as perdas de energia são mínimas, a energia pode ser acumulada durante os longos meses ensolarados de verão (que podem durar 20‑24 horas/dia na Finlândia). O excesso de produção fotovoltaica pode assim ser armazenado para manter o país aquecido no inverno e reduzir o pico sazonal de demanda de energia induzido pela necessidade de aquecimento.

Podemos imaginar que iterações futuras do conceito poderiam ser usadas para aquecer estufas ou depender de sistemas solares térmicos.

Um conceito semelhante de “bateria de calor” também está sendo desenvolvido pela Rondo Energy. Esses blocos podem ser aquecidos até 1500 °C. Devido à temperatura mais alta, essa aplicação poderia ser utilizável não apenas para aquecimento distrital, mas também para aplicações industriais como produção de cimento, metalurgia, produtos químicos ou mineração.

Fonte: Rondo Energy

Enquanto isso, a empresa Stiesdal também está trabalhando em uma bateria de calor usando rochas trituradas. A capacidade de armazenamento em rede deve variar entre 10 horas e 10 dias.

Por fim, o gigante fabricante de cimento Holcim também está desenvolvendo uma solução baseada em cimento, que armazena calor quando seco e o libera quando hidratado. Como o ciclo pode ser repetido infinitamente, deve ter baixo custo ao longo de um período suficientemente longo.

Isso foi projetado para armazenar qualquer calor excedente em um ambiente industrial. Talvez possa ser usado como complemento a uma estação de compressão, reduzindo a perda decorrente do aquecimento do ar ao ser comprimido.

Com 300 kW de energia por metro cúbico de densidade, poderia armazenar muita energia com algumas milhares de toneladas de cimento relativamente barato e abundante. Revelado apenas em 2022, o conceito está atualmente em desenvolvimento.

Volantes de Inércia

Outra forma de armazenar energia é mantê‑la na forma de movimento mecânico. Volantes de inércia são dispositivos que armazenam energia girando uma roda mecânica em vácuo sobre um rolamento magnético, a velocidades de 20.000 a 50.000 rotações por minuto. O sistema pode armazenar ou devolver energia acelerando ou desacelerando o volante.

A principal vantagem desses sistemas é que eles reagem muito rapidamente, em apenas milissegundos. Assim, não só podem armazenar energia, como também ajudam a estabilizar a frequência da rede elétrica, algo mais difícil de fazer sem grandes usinas centralizadas como carvão, gás ou nucleares.

Empresas como Siemens Energy conduziram projetos piloto usando volantes de inércia, como na Austrália do Sul (ENR.SW ) (ENR.DE ).

Outras startups também estão trabalhando nesse conceito, como a Stornetic, com um sistema esperado para durar pelo menos 20 anos e 100.000 ciclos de carga/descarga.

Fonte: Stornetic

Outra empresa é a S4 Energy, com 60 MWh operacionais ou em construção, e um pipeline de 1.050 MWh. A reatividade do volante também pode ajudar a tornar algumas operações mais eficientes quando há picos de demanda de energia, como os guindastes no porto de Roterdã, onde um volante é usado para recolher a energia quando uma carga é baixada. O volante da empresa, KINEXT, é especialmente pesado (5 toneladas) e gira relativamente devagar (“apenas” 1.800 rotações por minuto), tornando‑o muito durável, com baixo custo operacional e fácil de manter. O volante tem apenas 8% de perdas da energia armazenada, o que é ligeiramente melhor que até mesmo as baterias de íon‑lítio.

Embora muito eficiente e reativo, a energia total armazenada por um volante é menor que a de outras soluções em relação ao custo, portanto provavelmente permanecerá restrita a aplicações de nicho e à estabilidade da frequência da rede.

Solar Térmico

Painéis fotovoltaicos convertem diretamente os raios solares em energia. Em comparação, uma usina solar térmica coleta o calor do sol e o concentra para produzir eletricidade. Como o calor é mais fácil de armazenar com alguma inércia, essas estações solares podem ainda gerar energia muitas horas após o pôr‑do‑sol, exatamente quando o consumo de energia atinge seu pico.

Essa ideia, que perdeu popularidade diante do aumento da eficiência dos painéis fotovoltaicos, pode ressurgir agora que a intermitência das renováveis se torna um problema maior à medida que elas passam a representar uma parcela maior da matriz de geração de energia.

Fonte: Energy.gov

Embora promissor, esse conceito tem sido historicamente atormentado por altos custos. Transportar o calor do coletor para o gerador tem se mostrado difícil, produzindo calor perigoso e hidrogênio residual. Outro design que utiliza sais fundidos sofreu com vazamentos e problemas de confiabilidade.

Também é problemático para a vida selvagem, pois aves podem ser regularmente incineradas pelos raios solares invisíveis e muito concentrados.

No futuro, designs menos massivos e, portanto, menos disruptivos ecologicamente, podem trazer a energia solar concentrada de volta ao centro das atenções.