Armazenamento para a rede elétrica: panorama das tecnologias de baterias em 2023

Armazenamento para a rede elétrica

As baterias passaram de componentes baratos de pequenos eletrônicos a componentes essenciais e caros dos veículos elétricos. Outro mercado exige cada vez mais capacidade: o armazenamento para a rede elétrica. Este panorama descreve tecnologias discutidas em 2023; metas e previsões devem ser lidas nesse contexto histórico.

A participação das fontes renováveis na geração elétrica cresce. Em particular, a produção eólica e solar varia com o tempo e nem sempre coincide com os picos de consumo. O sistema elétrico precisa equilibrar continuamente geração e demanda; o armazenamento permite deslocar energia disponível para outros horários.

As baterias podem ajudar a estabilizar a rede, juntamente com transmissão, gestão da demanda e outras formas de armazenamento. Em dezembro de 2022, a EIA projetou que a capacidade de potência das baterias nos Estados Unidos poderia chegar a cerca de 30 GW no fim de 2025, ante 7,8 GW em operação em outubro de 2022. Era uma previsão de potência, não de energia em GWh.

Fonte: EIA

Por enquanto, muitos desses parques de baterias estão usando baterias de íon-lítio. Mas isso pode mudar.

Necessidades Diferentes

Por enquanto, a indústria de baterias evoluiu principalmente para atender ao mercado de pequenos eletrônicos e veículos elétricos. Isso ocorre porque ambos compartilham requisitos semelhantes para a bateria ideal:

• Pequenas e leves, com alta energia específica, medida em Wh/kg.
• Operar em uma faixa de temperatura “normal”.
• Equilíbrio entre preço, peso, desempenho e segurança.
• Vida útil adequada, frequentemente de pelo menos 5–10 anos, dependendo do uso e dos ciclos.

As baterias de íon-lítio atendem bem a esses requisitos. O estado sólido é uma possível evolução, enquanto o íon-sódio constitui outra família. O fosfato de ferro-lítio (LFP), porém, já é uma química de íon-lítio. Leia mais em nosso artigo: “O Futuro da Mobilidade – Tecnologia de Baterias”.

As baterias estacionárias para a rede elétrica têm prioridades diferentes.

• O peso é menos limitante do que em um veículo, embora transporte, instalação e fundações continuem impondo restrições.
• O espaço pode ser menos restrito, mas terrenos, licenciamento e custos de implantação ainda importam.
• Químicas que operam internamente a 200 °C ou mais podem ser usadas com isolamento, controle térmico e medidas de segurança apropriados. O frio e a energia necessária para manter a temperatura também afetam a eficiência.
• O custo por Wh é importante, juntamente com eficiência, potência e custo total por unidade de energia devolvida.
• Uma vida longa permite amortizar o investimento por mais anos. As concessionárias planejam infraestrutura em horizontes de 30–40 anos, mas isso não significa que todas as baterias durem tanto.

Considerando as necessidades muito diferentes entre VEs e baterias em escala de utilidade, não é surpresa que novas tecnologias e novas químicas de bateria estejam sendo desenvolvidas para oferecer soluções mais econômicas às empresas de energia e operadores de rede.

Várias tecnologias podem prosperar em paralelo. Algumas atendem ao balanceamento imediato; outras, a horas ou dias. Armazenamento durante semanas ou estações requer dimensionamento específico e pode empregar soluções além das baterias.

Fonte: CleanTech

Embora este artigo lhe dê uma visão geral do tema, você também pode querer ler este relatório da Ara Ake, publicado em março de 2023, sobre armazenamento estacionário em baterias.

Novas químicas de baterias para a rede elétrica

Novas Químicas Derivadas de VEs

Grandes volumes e cadeias de suprimentos estabelecidas podem reduzir o custo por Wh. Por isso, também se consideram químicas já utilizadas em veículos elétricos, inclusive variantes mais econômicas de íon-lítio.

Baterias LFP

O LFP é uma química de íon-lítio que dispensa cobalto e níquel no material do cátodo. Em comparação com certas químicas ricas em níquel, pode oferecer menor custo e mais ciclos, dependendo do produto e das condições de uso. Soluções comerciais já eram oferecidas por empresas como CATL ou BYD.

Baterias de Íon-Sódio

O sódio é abundante e pode reduzir a dependência do lítio e de suas oscilações de preço. As primeiras células de íon-sódio geralmente apresentavam energia específica inferior à das LFP. O preço final, contudo, depende dos materiais, da produção e do sistema completo: matéria-prima barata não garante bateria mais barata. Veículos e redes elétricas são possíveis aplicações.

Baterias de fluxo redox

As baterias de fluxo armazenam energia em eletrólitos que passam por reações de oxidação e redução. Podem usar diferentes metais ou compostos orgânicos. Nem todas as tecnologias apresentadas a seguir são baterias de fluxo.

Fonte: CellCube

Baterias Ferro‑Ar

Essas baterias funcionam utilizando a oxidação do ferro (comumente conhecida como ferrugem). As baterias geram eletricidade pela oxidação do ferro e revertem a reação durante a recarga.

O ferro abundante oferece potencial de baixo custo. Os sistemas ferro-ar da Form Energy foram projetados para descarregar durante até 100 horas; isso é duração de descarga, não uma vida útil 17 vezes maior. A redução de custo anunciada era uma meta tecnológica, não uma garantia universal. Peso, espaço, eficiência e velocidade de recarga ainda influenciam o projeto. A Form Energy iniciou a construção de sua fábrica em maio de 2023 e anunciou produção experimental em setembro de 2024.

Baterias de Zinco

Usando outro metal barato, essas baterias incluem várias opções como químicas zinco‑bromo, zinco‑manganês ou zinco‑ar. As características variam entre essas químicas: nem todas armazenam energia por semanas com perdas mínimas. Sistemas dimensionados para longa duração podem ajudar a enfrentar períodos de baixa geração eólica. No panorama original, a previsão atribuída à Avicenne Consulting era que as baterias de zinco poderiam atingir 10% do mercado de armazenamento até 2030. Tratava-se de uma previsão, não de uma participação já alcançada. Entre os exemplos citados em 2023 estavam Redflow (zinco‑bromo) e Zinc8 (zinco‑ar).

Baterias de fluxo redox de vanádio — VRFB

O vanádio é usado principalmente como elemento de liga em aços, não exclusivamente nem sobretudo em aço inoxidável. Nas baterias de fluxo, pode atender a ciclos diários e ao deslocamento da geração renovável. A duração depende dos tanques e da potência do sistema; não se deve combinar uma promessa genérica de dez ciclos completos por dia com descarga de 24 horas. Projetos podem prever 20–25 anos de operação, mas pilhas e outros componentes podem exigir manutenção ou substituição. O eletrólito pode ser reutilizado e reciclado. Empresas do setor incluem CellCube, Invinity Energy Systems, Rongke Power e VRB Energy trabalhando nessa tecnologia.

Baterias de Sal Marinho / Salmoura Aquosa

Há diferentes conceitos de armazenamento com eletrólitos salinos. Alguns utilizam membranas para separar meios ou controlar o transporte de íons. A Salgenx apresenta um sistema sem membrana, com eletrólitos específicos e fases que não se misturam. Essa descrição do fabricante não se aplica a todas as baterias de salmoura.

Baterias de Metal Fundido

Baterias de metal líquido armazenam energia por reações eletroquímicas reversíveis a alta temperatura. Não se trata simplesmente de inverter a fundição de alumínio.

Grande parte dos custos das baterias provém das dificuldades de sua fabricação. Ânodos e cátodos precisam estar perfeitamente separados para evitar curtos‑circuitos.

Em uma bateria de metal líquido, os materiais ativos dos eletrodos e o eletrólito podem formar três camadas líquidas, separadas por densidade e imiscibilidade. O recipiente e outros componentes continuam sólidos. A configuração pode favorecer a durabilidade, mas não garante vida ilimitada, recarga instantânea ou reciclagem integral.

Em anúncio de 2022, a Ambri, que utiliza cálcio e antimônio, apresentou o plano de uma fábrica com capacidade anual de 200.000 células, com entregas previstas para 2023. Isso não demonstra produção efetiva nessa escala em 2024. Em setembro de 2022, anunciou um sistema de demonstração para a Microsoft (MSFT ). Esse teste não equivale a fornecimento comercial contínuo para todos os centros de dados. Em julho de 2024, a Ambri anunciou a conclusão de uma venda e sua saída do processo de Chapter 11.

Fonte: Ambri

No panorama de 2023, a NGK Insulators já comercializava baterias de sódio-enxofre com sais fundidos, enquanto a FZSoNick oferecia baterias de sódio-níquel-cloreto.

Baterias Metal‑Hidrogênio / Níquel‑Hidrogênio

As baterias de níquel-hidrogênio combinam um eletrodo de hidróxido/oxi-hidróxido de níquel com reações reversíveis de produção e oxidação do hidrogênio em eletrólito alcalino. Não se resumem à conversão de hidrogênio em água seguida de oxidação de um metal. Outras famílias metal-hidrogênio podem usar materiais de cátodo diferentes.

A tecnologia de níquel-hidrogênio foi usada anteriormente pela NASA na Estação Espacial Internacional. As baterias da estação foram substituídas por íon-lítio entre 2017 e 2021.

A EnerVenue propõe uma variante estacionária com pouca manutenção e sem fuga térmica. Faixas de operação, incluindo os -40 a +60 °C citados historicamente, dependem do produto e das condições de ensaio; não se aplicam a toda a família metal-hidrogênio.

Esta tecnologia é notavelmente promovida pela EnerVenue, que saiu do sigilo empresarial em 2020. Em setembro de 2023, apresentou uma nova versão com vida útil projetada de 30 anos e 30.000 ciclos. São parâmetros de projeto, não trinta anos de funcionamento já observados. Baterias de fluxo de hidrogênio-manganês são desenvolvidas pela RFC Power, hoje Certain Energy.

Baterias de CO₂

O aumento dos níveis de CO₂ é a força motriz por trás do impulso para renováveis e eletrificação, e, portanto, também por trás da crescente necessidade de baterias. Assim, seria um tanto irônico que a mesma molécula passe a ser usada para armazenar energia renovável.

Noon Energy desenvolve armazenamento eletroquímico que separa CO₂ em carbono sólido e oxigênio durante a carga e reverte a reação na descarga. A descrição histórica citava 50–200 bar e 600–800 °C para um projeto, não especificações universais verificadas para todos os produtos. Há relação com a eletrólise de óxido sólido empregada no MOXIE, mas esse experimento produziu oxigênio a partir de CO₂ no rover Perseverance, sem funcionar como bateria de armazenamento.

A “CO₂ Battery” da Energy Dome, por sua vez, armazena energia de forma termomecânica, por compressão, liquefação e expansão do CO₂. O nome comercial “bateria” não indica uma reação eletroquímica como a da Noon.

Baterias Sódio‑Enxofre

As baterias de sódio-enxofre de alta temperatura operam em torno de 300 °C e exigem isolamento e controle térmico. Isso é compatível com aplicações estacionárias adequadamente projetadas. Não era uma tecnologia sem produção comercial em 2023: a NGK iniciou sua comercialização em 2002 e a produção plena em 2003. A pesquisa em variantes à temperatura ambiente é uma vertente distinta. Em outubro de 2025, a NGK anunciou o encerramento de nova produção e de vendas para novos projetos.

Baterias de Polímero

Baterias de polímeros condutores, como as da PolyJoule, utilizam polímeros orgânicos em lugar de materiais ativos metálicos tradicionais. Isso não deve ser confundido com toda bateria de eletrólito polimérico, que ainda pode conter lítio. O objetivo é combinar materiais acessíveis, produção escalável e controle térmico mais simples; segurança, vida útil e preço continuam dependentes do produto.

Polyjoule, derivada de pesquisas do MIT, desenvolve essa tecnologia. Sua competitividade depende da aplicação e do custo total da energia armazenada e devolvida.