Soluções de Armazenamento de Energia Solar: Eficiência Aumentada em “Mais de Uma Ordem de Grandeza” na Conversão

“A capacidade mundial de gerar eletricidade renovável está se expandindo mais rápido do que em qualquer momento nas últimas três décadas”, disse a Agência Internacional de Energia em um relatório publicado no início deste ano.

Esse crescimento, segundo a organização intergovernamental autônoma com sede em Paris, oferece “uma chance real de alcançar” a meta de triplicar a capacidade global, estabelecida na conferência climática COP28, até o final desta década.

A capacidade renovável cresceu significativamente na última década, com a energia solar desempenhando um papel importante nisso. Em 2023, fontes renováveis produziram 30% da eletricidade mundial, e a energia solar fotovoltaica representou três quartos das novas adições de capacidade renovável do mundo.

Isso faz sentido, já que o custo da energia solar continua a cair, tornando‑se mais barato que o carvão. Além de oferecer benefícios econômicos como certeza de custos a longo prazo, a energia solar também aumenta a resiliência e reduz as emissões de carbono.

No entanto, apesar desses benefícios e do fato de que 50% do consumo final de energia global é utilizado para aquecimento, o uso de energia solar ainda é baixo comparado às fontes fósseis.

Isso ocorre porque a energia solar tem limitações únicas, incluindo sua indisponibilidade à noite, enquanto o pico de consumo de energia tende a acontecer nas noites. Além disso, há mudanças climáticas que afetam tanto a demanda quanto a oferta.

“Precisamos pensar em como as mudanças climáticas impactarão o sistema de energia como um todo porque, infelizmente, nenhum sistema de geração de eletricidade está imune aos impactos das mudanças climáticas.”

– Romany Webb, vice‑diretora do Sabin Center for Climate Change Law na Columbia Climate School

Quando se trata de impacto climático, ondas de calor mais frequentes tornam os painéis solares menos eficientes, enquanto o aumento da demanda por refrigeração sobrecarrega a rede e afeta negativamente o sistema. Furacões foram realmente encontrados para diminuir a geração fotovoltaica entre 18% e 60%, enquanto ciclones tropicais podem reduzir a radiação solar em 80%. Condições climáticas extremas, como ventos fortes, podem ainda danificar a infraestrutura de energia solar.

Todas essas limitações significam que o armazenamento eficiente de energia solar pode abrir uma série de possibilidades.

Soluções de armazenamento eficazes permitem armazenar energia excedente para uso durante os picos quando o sol se põe. Dessa forma, as cargas elétricas podem ser equilibradas com base na demanda e oferta, permitindo um fluxo de energia constante.

O armazenamento de energia solar também oferece proteção durante eventos disruptivos, como incêndios florestais, nos quais a rede elétrica se torna vulnerável a apagões.

Então, quais são essas soluções de armazenamento? Bem, elas geralmente se dividem em três categorias principais: bateria, mecânica e térmica. Dentre elas, as baterias, especialmente as de íons de lítio, são a forma mais comum e econômica de armazenar energia solar.

Entretanto, os pesquisadores estão constantemente desenvolvendo novas inovações. Uma abordagem totalmente nova para capturar e armazenar energia solar de forma mais eficiente envolve o uso de estratégias de sensibilização ainda pouco exploradas.

Captura e Armazenamento de Energia Solar Mais Eficientes

Para enfrentar o problema principal do uso limitado de energia solar global — a intermitência de sua disponibilidade direta — pesquisadores da Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e da University of Siegen desenvolveram sistemas moleculares para armazenar energia solar.

Ao contrário dos sistemas tradicionais de armazenamento térmico que armazenam energia apenas por curtos períodos, os sistemas moleculares de armazenamento de energia solar podem armazená‑la por um período prolongado, de várias semanas a meses. Isso ocorre porque a energia solar é armazenada aqui na forma de ligações químicas.

O funcionamento dos sistemas moleculares de armazenamento de energia solar consiste em moléculas ou fotocromos especializados que primeiro absorvem a energia solar e depois a liberam como calor sob demanda.

Mesmo esse sistema não está livre de desafios. O principal problema ao excitar fotocromos é o compromisso entre absorção eficiente da luz solar e capacidade de armazenamento de energia. Isso limita o desempenho geral dos sistemas moleculares de armazenamento de energia solar.

Portanto, a equipe de pesquisa em Mainz e Siegen realizou um estudo para superar esse problema usando uma nova abordagem.

A nova classe de fotocromos foi inicialmente introduzida em Siegen e demonstrou um incrível potencial de armazenamento de energia em comparação com baterias de íons de lítio tradicionais.

A química de bateria mais amplamente utilizada, essas baterias envolvem uma ou várias células de íons de lítio além de uma placa de circuito. Uma célula de íons de lítio possui eletrodos, um ânodo, um cátodo, um eletrólito que conduz eletricidade, coletores de corrente e um separador. Um fotocromo, por sua vez, é uma molécula que altera sua geometria estrutural e propriedades químicas quando exposta à radiação eletromagnética.

O fotocromo inovador, embora possua potencial excepcional de armazenamento de energia, tinha sua funcionalidade limitada à ativação por luz ultravioleta (UV). A luz UV tem comprimentos de onda de 10‑400 nanômetros e constitui apenas uma pequena parte do espectro solar.

Assim, o estudo mais recente propôs uma técnica de captura de luz indireta. Essa técnica é semelhante ao modo como a captação de luz funciona na fotossíntese. Aqui, um segundo composto é incorporado, que funciona como sensibilizador e apresenta excelentes qualidades de absorção de luz visível. Segundo o professor Christoph Kerzig, do Departamento de Química da JGU, que liderou o estudo junto ao estudante de doutorado Till Zähringer:

“Nessa abordagem, o sensibilizador absorve a luz e subsequentemente transfere energia ao fotocromo, que não pode ser excitado diretamente nessas condições.”

Com essa nova abordagem, as equipes de pesquisa aumentaram a eficiência de armazenamento de energia solar em mais de uma ordem de magnitude. Esse grande avanço na conversão de energia abre aplicações potenciais tanto para soluções de aquecimento doméstico quanto para armazenamento de energia em larga escala.

A equipe de pesquisa baseada em Mainz também realizou análises espectroscópicas detalhadas para explorar o sistema complexo a fim de compreender o mecanismo subjacente.

Obter uma compreensão detalhada de como o sistema opera ajudará a “impulsionar significativamente o limite de captação de luz”, disse o primeiro autor Zähringer, acrescentando que isso também poderia melhorar a eficiência de conversão da luz em energia química armazenada.

Em condições operacionais, cada fóton absorvido pode desencadear um processo de formação de ligações químicas. Isso raramente é observado em reações fotoquímicas devido a vários canais de perda de energia.

Os pesquisadores validaram com sucesso a robustez da praticidade do sistema ao ciclar entre os estados de armazenamento e liberação de energia inúmeras vezes usando luz solar, destacando o potencial do sistema para aplicações no mundo real.

Desenvolvimentos Recentes na Captura e Armazenamento de Energia Solar

Considerando o grande papel que a energia solar desempenha na matriz de energia renovável, tem sido foco crescente entre pesquisadores, empresas e iniciativas governamentais, que buscam entender melhor seu funcionamento e desenvolver soluções aprimoradas para capturar a energia e seu armazenamento.

Novas pesquisas da NC State University focaram em proporcionar uma compreensão mais profunda do que ocorre em células orgânicas quando a luz solar se converte em eletricidade. Para visualizar as interfaces onde a energia luminosa se converte em cargas elétricas, os pesquisadores desenvolveram um método inovador, microscopia de varredura de sonda, e o usaram para melhorar a eficiência das células solares.

Feitas de materiais poliméricos baseados em carbono, as células solares orgânicas têm potencial para aplicações solares flexíveis e leves, bem como para aplicações de janelas semi ou totalmente transparentes, mas não são tão eficientes quanto as tecnologias solares de perovskita ou silício na conversão de luz em eletricidade.

Isso ocorre porque essas células são compostas por uma mistura de dois materiais; um deles coleta elétrons (doador) mas precisa interagir com o segundo (aceptor) para transferi‑los, e as interfaces entre os dois são responsáveis por perdas de tensão, limitando assim a eficiência das células solares orgânicas.

O estudo mais recente constatou que tanto a diferença de energia entre os materiais doador e aceptor quanto a desordem energética nas interfaces impulsionam a perda de tensão.

Segundo a co‑autora Aram Amassian, professora de ciência e engenharia de materiais na NC State University, selecionar materiais com deslocamentos energéticos mínimos reduz as perdas de tensão. Parâmetros de solvente e processamento que diminuem a desordem interfacial podem ainda reduzir ainda mais as perdas de energia.

Outro estudo recente assumiu a tarefa de estimar de forma confiável a capacidade de sistemas de armazenamento de energia residenciais para obter uma ideia da implantação futura de sistemas fotovoltaicos residenciais eficazes.

Para isso, os pesquisadores introduziram uma técnica escalável de estimativa de capacidade, que envolve três etapas principais: determinar quando um sistema de armazenamento está em plena capacidade e quando está vazio, e calcular a capacidade entre esses dois estados.

Ela foi então usada para medir 21 sistemas baseados em baterias de íons de lítio em residências privadas na Alemanha ao longo de oito anos. A análise revelou que, em média, os sistemas perderam 2‑3% de sua capacidade anualmente.

Notavelmente, o método pode ser usado por fabricantes e empresas de energia solar para estimar a capacidade de seus sistemas de armazenamento de energia. Além disso, os pesquisadores publicaram um extenso conjunto de dados, que compreende 14 bilhões de pontos de dados de mais de 100 anos, que pode ser usado para conduzir estudos adicionais ou treinar modelos computacionais.

No início deste ano, em junho, os pesquisadores também desenvolveram um sistema inovador de captação de luz que pode “absorver uma grande quantidade de energia luminosa em uma camada fina“, muito parecido com sistemas naturais de captação de luz.

Ao possuir uma estrutura de banda semelhante à dos semicondutores inorgânicos, ele pode absorver luz pancromática em toda a faixa visível, enquanto o uso de altos coeficientes de absorção de corantes orgânicos permite que absorva muita energia.

O sistema possui quatro corantes merocianina diferentes que são dobrados e empilhados muito próximos, permitindo transporte de energia ultra‑rápido e eficiente dentro dele. O sistema demonstrou ser capaz de converter 38% da luz irradiada em energia.

Para o armazenamento eficiente de energia solar e a redução da perda de conversão, pesquisadores de todo o mundo também se reuniram no início deste ano para estudar a dinâmica da transformação foto‑ e eletroquímica a fim de projetar uma molécula mais adequada às funções desejadas.

Os pesquisadores estão investigando o norbornadieno para isso, que é um isômero de hidrocarboneto com dois anéis moleculares e, quando exposto à luz UV, converte‑se em um quadriciclano mais altamente tensionado.

Considerando que a densidade de energia pura do sistema norbornadieno‑quadriciclano é comparável a uma bateria de íons de lítio, se sua conversão reversa puder ser controlada de forma confiável, isso pode viabilizar um módulo solar eficiente que também seja adequado para armazenar eletricidade.

Focar em moléculas de hidrocarbonetos oferece um método econômico que não requer metais raros e pode ser facilmente reciclado ou descartado. Todos esses desenvolvimentos recentes no setor são um testemunho do foco crescente em aumentar a adoção de energia solar em todo o mundo.

Empresas Posicionadas para Beneficiar-se com o Avanço

Agora, analisaremos duas das marcas mais proeminentes que podem se beneficiar ou oferecer tal sistema molecular de armazenamento de energia solar. Esses dois nomes são NextEra Energy, Inc. (NEE ) e Enphase Energy, Inc. (ENPH ), ambas empresas dos EUA ativamente envolvidas em energia renovável.

1. NextEra Energy (NEE )

Conhecida por seus investimentos em tecnologias de energia renovável, a NextEra Energy pode se beneficiar dessa tecnologia em termos de eficiência de armazenamento.

Com uma capitalização de mercado de US$ 161 bilhões, as ações da NextEra estão atualmente negociando a US$ 78,37, um aumento de mais de 29% neste ano até agora. A empresa tem um EPS (TTM) de 3,37 e um P/E (TTM) de 23,24, enquanto paga um rendimento de dividendos de 2,63%.

A empresa de infraestrutura energética relatou recentemente resultados financeiros para o 3T24, revelando que seu lucro líquido saltou para US$ 1,85 bilhão, comparado a US$ 1,29 bilhão no 3T de 2023. O lucro por ação ajustado aumentou 10% ano a ano. Esses resultados, segundo o CEO John Ketchum, mostram “desempenho financeiro e operacional sólido contínuo”.

Enquanto isso, a Florida Power & Light Company (FPL), controlada pela NextEra Energy, registrou US$ 1,29 bilhão em lucro líquido, com despesas de capital de US$ 2 bilhões, e o capital regulatório empregado aumentou 9,5% ano a ano. Comentando sobre seus clientes da Flórida afetados pelos furacões Helene e Milton, Ketchum observou que os “investimentos em reforço e tecnologia de rede inteligente impediram centenas de milhares de apagões”.

Agora, a NextEra Energy Resources, pelo segundo trimestre consecutivo, adicionou cerca de 3 gigawatts de novos projetos de renováveis e armazenamento ao seu backlog. Também anunciou acordos com dois clientes da Fortune 50 para desenvolvimento de projetos de renováveis e armazenamento, totalizando até 10,5 gigawatts até 2030.

“O desempenho forte contínuo de nossos negócios e nossa escala, experiência e tecnologia nos permitirão capitalizar a oportunidade que o aumento da demanda por energia está trazendo ao nosso setor.”

– Ketchum, CEO da NextEra Energy

Na semana passada, a líder em energia limpa assinou um acordo para vender US$ 1,5 bilhão em unidades de participação a grandes instituições financeiras, incluindo Goldman Sachs, J.P. Morgan e Mizuho. Os recursos serão usados para investimentos em projetos de energia e energia relacionados à IA e para pagar suas obrigações de commercial paper.

À medida que a mania por IA leva a uma demanda crescente por energia em data centers de IA e a empresa foca no crescimento de seu negócio de energia renovável, a NextEra Energy também está conduzindo estudos e mantendo discussões com reguladores federais sobre a reinicialização da usina nuclear Duane Arnold, em Iowa.

2. Enphase Energy, Inc. (ENPH )

Especializada em inversores solares e armazenamento, a Enphase Energy também poderia expandir para incluir armazenamento molecular inovador, caso seja comercialmente viável, para melhorar a resiliência e eficiência energética de seus consumidores.

Com uma capitalização de mercado de US$ 11,8 bilhões, as ações da Enphase estão atualmente negociando a US$ 87,46, uma queda de 33,87% neste ano. A empresa tem um EPS (TTM) de 0,44 e um P/E (TTM) de 198,82. No 3T 2024, a empresa global de tecnologia energética reportou receita de US$ 380,9 milhões e margem bruta non‑GAAP de 48,1%. Durante esse período, a Enphase enviou mais de 1,73 milhão de microinversores e 172,9 MWh de baterias.

O principal fornecedor mundial de sistemas solares e de baterias baseados em microinversores encerrou o trimestre com US$ 161,6 milhões em fluxo de caixa livre, enquanto caixa, equivalentes de caixa e valores mobiliários somavam US$ 1,77 bilhão.

Durante esse período, a Enphase lançou software baseado em IA para otimizar o uso de energia integrando previsões solares e de consumo com tarifas de eletricidade, a fim de ajudar os consumidores a maximizar economias.

Em outubro, a empresa começou a enviar os microinversores IQ8™ para suportar painéis solares de alta potência em países selecionados, expandiu seu suporte a programas de serviços de rede (ou usinas virtuais) em estados selecionados dos EUA e lançou os microinversores IQ8X com a garantia residencial padrão mais longa de 25 anos na Austrália.

Nos dois meses anteriores, lançou seu sistema Enphase Energy mais potente até hoje, anunciou uma solução para expandir sistemas legados de medição líquida de energia (NEM) na Califórnia sem penalidade, lançou conectores NACS para carregadores de veículos elétricos IQ, e enviou microinversores IQ8 para suportar módulos solares de alta potência em países selecionados da Europa. Também introduziu o IQ Energy Management para habilitar suporte a tarifas elétricas dinâmicas e integração de carregadores de veículos elétricos de terceiros e bombas de calor nos Países Baixos.

A empresa está agora se preparando para o lançamento do carregador de veículos elétricos IQ® de segunda geração, da bateria trifásica IQ com backup, e do kit solar de varanda IQ® para o mercado europeu, enquanto seu sistema de energia de quarta geração, apresentando o IQ® Meter Collar, bateria IQ de 10 kWh e o aprimorado IQ® Combiner, será lançado nos EUA no início do próximo ano.

No geral, as vendas da Enphase na Europa caíram 15% em relação ao 2T devido a “um novo abrandamento na demanda europeia”, enquanto o retorno do estoque a níveis normais fez a receita dos EUA subir 43% sequencialmente.

Conclusão

No contexto do impulso global por energia renovável, a energia solar emergiu como um protagonista importante ao oferecer uma solução limpa e abundante. Contudo, sua adoção mundial é afetada por custos, soluções mais eficientes e falta de infraestrutura, entre outros fatores.

Avanços recentes, que vão desde armazenamento molecular de energia solar até inovações em células solares orgânicas, oferecem grande potencial para tornar a energia solar mais eficiente, ajudar a atender à demanda global de energia, mesmo em condições adversas, e abrir caminho para um futuro sustentável.

Clique aqui para uma lista das principais ações de energia solar.