O Futuro do Armazenamento de Energia – Baterias em Escala de Utilidade

A Necessidade da Rede Elétrica por Baterias

Baterias evoluíram de um componente barato de pequenos eletrônicos para um componente caro e essencial na revolução dos veículos elétricos. Mas há outro segmento além da mobilidade que requer uma quantidade cada vez maior de capacidade de bateria: a rede elétrica.

As fontes renováveis estão crescendo como parte da geração total de energia elétrica. Mas elas também são mais intermitentes que as usinas baseadas em combustíveis fósseis, pois geralmente produzem energia quando o sol brilha ou o vento sopra. Isso pode não coincidir com o horário de pico de consumo, frequentemente à noite ou no inverno. A rede elétrica não armazena eletricidade, mas precisa ser equilibrada entre produção e consumo o tempo todo.

Portanto, quanto maior a geração de renováveis, mais baterias serão necessárias para manter a rede elétrica estável. Esta é uma área importante de novos investimentos em energia, com projetos de baterias em escala de utilidade programados para mais que triplicar a capacidade atual até 2025.

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:

• Pequena e leve, portanto com alta densidade medida em Wh/kg.
• Operar em uma faixa de temperatura “normal”.
• Não ser extremamente sensível ao preço.
• Pode durar pelo menos 5-10 anos, com aproximadamente uma carga completa por dia.

Para esse conjunto específico de critérios, a tecnologia de íon-lítio tem sido até agora a melhor para baterias. Isso pode mudar em breve, com possibilidades como baterias de estado sólido, íon-sódio ou baterias de fosfato de ferro‑lítio (LFP) como alternativas potenciais. Você pode ler mais sobre isso em nosso artigo: “O Futuro da Mobilidade – Tecnologia de Baterias”.

Mas as baterias de rede elétrica / escala de utilidade têm necessidades muito diferentes.

• Sem restrições rígidas de peso. As baterias não se movem, portanto um peso que seria incapacitante para um VE não é um problema.
• Sem restrições rígidas de espaço. Os parques de baterias serão construídos em terrenos baratos ao redor das usinas. Não há necessidade de compactá‑las dentro da estrutura de um computador ou de um VE.
• Altas temperaturas não são tão problemáticas. Se uma química específica funciona melhor a 200 °C, isso não vai cozinhar os passageiros de um VE. Contudo, na maioria dos países, as baterias precisarão tolerar clima frio, pois mantê‑las aquecidas no inverno seria muito caro. Algo com que as baterias de lítio podem ter dificuldade.
• O custo de cada Wh é o fator mais importante.
• Quanto mais a bateria durar, mais seu custo pode ser amortizado ao longo de um longo período, com as empresas de energia acostumadas a investir em horizontes de 30‑40 anos.

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.

Na prática, podemos esperar que várias tecnologias de armazenamento de energia “vençam” juntas, pois algumas são mais adequadas ao balanceamento imediato da rede, e outras a diferentes escalas de tempo (horas, semanas, temporadas inteiras).

Fonte: CleanTech

Embora este artigo lhe dê uma visão geral do tema, você também pode querer ler este relatório detalhado da Ara Ake sobre sistemas de armazenamento de energia estacionários.

Novas Químicas de Bateria para Aplicações em Escala de Rede

Novas Químicas Derivadas de VEs

Construir baterias é um jogo de escala. Os maiores lotes de produção, com a cadeia de suprimentos mais profunda, podem alcançar economias de escala e, portanto, um custo por Wh mais barato.

Por esse motivo, várias empresas de baterias em escala de utilidade estão apostando em químicas de bateria de baixo custo já usadas em VEs para substituir o armazenamento baseado em íon‑lítio.

Baterias LFP

Uma opção é LFP (fosfato de ferro‑lítio), um bom candidato para baterias de VE de baixo custo, e uma química de bateria que não depende de cobalto e níquel caros. Elas também duram mais que as de íon‑lítio, tornando‑as ainda mais econômicas a longo prazo. Isso já está disponível em soluções prontas e em escala de utilidade, incluindo de líderes do setor como CATL ou BYD.

Baterias de Íon-Sódio

Além de cobalto e níquel, o próprio lítio pode ser muito caro em certos momentos, dependendo da flutuação do preço do lítio. Portanto, substituí‑lo por sódio abundante pode ajudar a reduzir ainda mais os preços. É ligeiramente menos denso em energia (Wh/kg) que as LFPs, mas também mais barato, podendo ser um candidato ainda melhor para uma química de bateria capaz de operar tanto em VEs quanto na rede elétrica.

Baterias Redox Flow

Essas categorias de baterias dependem do processo químico de oxidação e redução de metal. Uma variedade de diferentes metais pode ser usada em baterias redox‑flow, bem como outros tipos de fluxos iônicos.

Fonte: CellCube

Baterias Ferro‑Ar

Essas baterias funcionam utilizando a oxidação do ferro (comumente conhecida como ferrugem). As baterias produzem eletricidade oxidando ferro e depois reverte o processo consumindo eletricidade.

A principal vantagem é que, ao utilizar materiais extremamente baratos, essas baterias podem ser extremamente econômicas. Defensores dessa tecnologia afirmam que as baterias ferro‑ar seriam 10 vezes mais baratas, teriam melhor desempenho e durariam 17 vezes mais. O inconveniente de serem grandes, pesadas e lentas para carregar ou descarregar não deveria ser um problema para aplicações em escala de utilidade. Empresas como Form Energy já estão construindo instalações para fabricar massivamente essas baterias.

Baterias de Zinco

Usando outro metal barato, essas baterias incluem várias opções como químicas zinco‑bromo, zinco‑manganês ou zinco‑ar. A principal vantagem dessa tecnologia é sua capacidade de armazenamento muito longa, com perdas/descarga muito baixas. Isso pode torná‑la um bom candidato para armazenar energia eólica, com dias sem vento que às vezes se estendem por várias semanas, algo que tecnologias de bateria com armazenamento menos durável têm dificuldade de compensar. “Baterias de zinco devem representar 10 % do mercado de armazenamento até 2030, segundo o analista de energia Avicenne Consulting”. Algumas empresas notáveis nesse setor são Redflow (zinco‑bromo) e Zinc8 (zinco‑ar).

Baterias Vanádio Redox Flow – VRFB

O vanádio é um metal usado hoje principalmente na produção de aço inoxidável. Em baterias, ele pode criar baterias que são ideais para ciclos diários e para suavizar a curva de produção das renováveis durante o dia, graças à capacidade de suportar pelo menos 10 ciclos carga‑descarga por dia, além de ter boa capacidade de retenção por até 24 horas. A vida útil da bateria pode ser muito longa, de 20‑25 anos, e mesmo assim seria necessário apenas substituir as partes da estrutura plástica, com os componentes metálicos quase totalmente recicláveis.

O setor está muito ativo, com empresas como CellCube, Invinty Energy Systems, Rongke Power e VRB Energy trabalhando nessa tecnologia.

Baterias de Sal Marinho / Salmoura Aquosa

Este conceito baseia‑se no fluxo de íons de sal através de uma membrana para armazenar energia. Alguma versão dessa bateria feita pela Salgenx não usa nem mesmo uma membrana, o que reduz custos, complexidade e manutenção, mas utiliza um eletrólito sob medida que não se mistura com água.

Baterias de Metal Fundido

O conceito baseia‑se na fundição de alumínio, um processo que consome muita eletricidade; e se pudesse ser revertido?

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 fundido, os três componentes principais — ânodo, cátodo e eletrólito — são líquidos. Eles se separam espontaneamente graças a diferentes densidades líquidas. O fato de não haver componentes sólidos deveria, em teoria, aumentar drasticamente a vida útil da bateria, além de permitir que ela carregue e descarregue muito rapidamente e seja totalmente reciclável.

A empresa Ambri, que usa uma bateria de cálcio e antimônio, pretende produzir 200.000 células de bateria por ano em sua nova fábrica até 2024, e tem sido fornecedora da Microsoft desde 2022 (MSFT ).

Fonte: Ambri

A empresa NGK insulator também está trabalhando em uma bateria de sal fundido sódio‑enxofre, e a empresa FZSoNick está desenvolvendo uma bateria sódio‑níquel‑cloreto.

Baterias Metal‑Hidrogênio / Níquel‑Hidrogênio

Essas baterias ciclam hidrogênio em água e depois oxidam um metal. Embora o níquel não seja o único metal cátodo possível nessa tecnologia (alternativas podem ser manganês, chumbo ou ferro), ele é a opção mais comum e densa em energia.

Este é o tipo de bateria usado pela NASA na ISS (Estação Espacial Internacional).

Esta tecnologia teria a vantagem de ser muito segura, com zero manutenção e capaz de operar em uma ampla faixa de temperaturas (-40 a +60 °C).

Esta tecnologia é notavelmente promovida pela Enervenue, que saiu do modo stealth em 2020, apresentando uma nova versão de sua bateria com vida útil de 30 anos e 30.000 ciclos lançada em setembro de 2023. Baterias de hidrogênio‑manganês são desenvolvidas pela RFC Power.

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 bateria de CO₂ divide o CO₂ em carbono e oxigênio para armazenar energia. A bateria de fluxo opera a altas pressões e temperaturas que variam de 50 a 200 bar e de 600 a 800 °C. Este tipo de bateria foi desenvolvido inicialmente para o rover Marte Perseverance.

Isso não deve ser confundido com a “bateria de CO₂” da Energy Dome, que depende do ciclo de liquefação e evaporação do CO₂, tornando‑a não uma bateria verdadeira, mas mais semelhante a um armazenamento de energia por gás comprimido.

Baterias Sódio‑Enxofre

Essas baterias, até o momento, foram limitadas a aplicações onde a bateria era mantida a altas temperaturas (300 °C). Isso pode não ser um problema para aplicações em escala de utilidade. Contudo, a tecnologia ainda é relativamente nova e carece de escala e produção em massa por enquanto. Tornar essas baterias muito duráveis também pode ser um desafio tecnológico.

Baterias de Polímero

Também chamadas de baterias plásticas, este conceito usa polímero condutor em vez de lítio ou outros metais. A principal vantagem deste conceito é que ele depende de fabricação simples e materiais prontamente disponíveis. A bateria resultante também seria muito durável e fácil de operar com segurança.

Polyjoule, um spin‑off do MIT, é um dos líderes nessa ideia. Mas pode ser que, a longo prazo, não seja um tipo de bateria que consiga reduzir custos tanto quanto algumas outras alternativas.