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Apoiar a energia renovável: o futuro parece brilhante para o armazenamento de energia

Apoiar a energia renovável: o futuro parece brilhante para o armazenamento de energia



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Área de teste de alta tensão e área de teste de transformador no exterior do Energy Storage Lab (ESL), Bay 3 no Energy Systems Integration Facility (ESIF) no National Renewable Energy Laboratory. [Fonte da imagem: Dennis Schroeder / NREL]

O armazenamento de energia está se tornando cada vez mais uma parte vital da implantação de tecnologias de energia renovável, em grande parte devido à natureza intermitente de certos sistemas de energia renovável, especialmente eólico e solar, que raramente geram energia quando é mais procurada. Assim, o papel do armazenamento de energia é contrabalançar os desequilíbrios causados ​​por essa intermitência.

Atualmente, as concessionárias usam plantas de carga de base para manter o abastecimento. Muitas delas são usinas a carvão e nucleares e são sustentadas por usinas de acompanhamento de carga ou "ciclistas", que são normalmente de gás natural ou hidrelétricas.

A energia armazenada tem a vantagem de estar disponível mais rapidamente do que uma turbina sendo ligada, armazenando o excesso de energia e liberando-a quando necessário. Até o momento, a forma dominante de armazenamento de energia tem sido o hidro bombeado, baseado em reservatórios onde a água passa por geradores que convertem o potencial energético em eletricidade. Quando a demanda é baixa, o excesso de capacidade de geração é usado para bombear água de um nível inferior para um reservatório superior. Quando a demanda aumenta, a água é liberada de volta para o reservatório inferior, passando por uma turbina que gera a eletricidade. Essa abordagem está mais associada a países como a Noruega, partes dos EUA e País de Gales. Na Noruega, o armazenamento bombeado tem uma capacidade instantânea de 25-30 GW, que pode ser expandida para 60 GW.

Atualmente, pelo menos 140 GW de armazenamento de energia em grande escala estão instalados em redes de eletricidade em todo o mundo, a grande maioria dos quais (99 por cento) consiste em hidro bombeado (PSH) com o restante consistindo em uma mistura de bateria comprimida armazenamento de energia do ar (CAES), volantes e hidrogênio. A descarbonização do setor elétrico exigiria cerca de 310 GW de armazenamento adicional de eletricidade conectado à rede nos Estados Unidos, Europa, China e Índia, de acordo com a Energy Technology Perspectives (ETP) 2014.

No entanto, há crescentes discussões globais em andamento sobre, em primeiro lugar, em que circunstâncias particulares o armazenamento de energia é realmente necessário para apoiar a integração de energia renovável e, em segundo lugar, que tipos de tecnologia de armazenamento de energia provavelmente veremos conseguir através da pesquisa e desenvolvimento processo de comercialização.

Por exemplo, com relação à primeira pergunta, Amory Lovins, do Rocky Mountain Institute, no Colorado, EUA, argumenta que o armazenamento de energia pode não ser realmente necessário.

Além disso, apesar de todas as críticas à energia solar e eólica de alguns setores do setor de energia, um estudo realizado por cientistas da Universidade de Stanford em março de 2014 descobriu que a energia eólica pode realmente produzir eletricidade excedente suficiente para suportar até 72 horas de energia armazenada.

O parque eólico do Rio Grande do Sul no Brasil [Fonte da imagem: Eduardo Fonseca, Flickr]

Isso significa que a indústria eólica poderia facilmente lidar com calmarias de três dias na disponibilidade de vento e, portanto, poderia crescer e se manter com a ajuda do armazenamento de energia. No entanto, é necessário mais trabalho para a energia solar, pois algumas tecnologias solares, como o silício cristalino, estão crescendo tão rápido que estão se tornando sumidouros de energia, em essência consumindo mais energia do que devolvem à rede. O estudo de Stanford mostrou que a maioria das tecnologias fotovoltaicas só pode suportar até 24 horas de armazenamento, mas isso ainda significa que os sistemas fotovoltaicos solares podem ser implantados com armazenamento suficiente para fornecer eletricidade à noite.

Outra vantagem do vento é que o retorno do investimento em energia (EROI) é muito melhor do que o solar, com uma turbina eólica sendo capaz de gerar eletricidade suficiente em poucos meses para pagar toda a energia necessária em sua construção. Com a energia solar, o tempo de retorno do investimento é mais de dois anos.

Ainda mais encorajador é o fato de que, caso se torne necessário o armazenamento de energia, todos os tipos de novas tecnologias estão em desenvolvimento no momento, muitas delas parecendo muito promissoras.

Além dessas novas tecnologias, existem algumas ideias inovadoras muito interessantes sendo apresentadas por um número de pessoas altamente experientes no setor. Veja, por exemplo, o blog do anônimo Scottish Scientist, que defende uma solução única de armazenamento que armazenaria energia solar e eólica usando bolsas cheias de hidrogênio debaixo d'água.

O Scottish Scientist argumenta que os painéis fotovoltaicos podem ser montados em plataformas, individualmente ou espalhados nos espaços entre as turbinas de parques eólicos. Os painéis fotovoltaicos seriam mantidos acima do nível da água, mas abaixo do nível em que sua presença interferiria no fluxo do vento. O gás hidrogênio seria então usado para armazenar a energia gerada pelas plataformas de energia renovável.

O conceito altamente intrigante de armazenamento de energia eólica, solar e de hidrogênio flutuante do Scottish Scientist (Imagem: Scottish Scientist)

A forma como funcionaria é esta. O excedente de energia eólica e solar seria enviado por um cabo submarino para alimentar a eletrólise subaquática de alta potência, que seria então usada para produzir hidrogênio comprimido. Este seria armazenado em bolsas de gás infláveis ​​subaquáticas, para ser canalizado da bolsa de gás até a plataforma onde abasteceria geradores de turbina a gás ou células de combustível de hidrogênio, gerando eletricidade sob demanda em todos os climas.

As bolsas de içamento a ar já são utilizadas em trabalhos de mergulho e salvamento e estão disponíveis em volumes de até 50 metros cúbicos. Portanto, argumenta o Scottish Scientist, deveria ser possível fazer bolsas de gás muito maiores ou equipar várias bolsas de gás juntas.

Esse tipo de abordagem é muito melhor executado em mares mais profundos porque a pressão da água é proporcional à profundidade, permitindo assim que o hidrogênio seja comprimido de forma mais densa. Isso permitiria que mais hidrogênio e mais energia fossem armazenados nos sacos de gás infláveis. Enquanto isso, o oxigênio do processo de eletrólise poderia simplesmente borbulhar ou ser armazenado para aumentar a eficiência do sistema e, ao mesmo tempo, reduzir os subprodutos da combustão de óxido de nitrogênio produzidos pelos geradores movidos a hidrogênio.

A eletrólise submarina teria que usar uma solução eletrolítica customizada para produzir oxigênio como o gás anódico, porque a eletrólise direta da água do mar produz gás cloro no anodo. Isso é venenoso e difícil de eliminar. Portanto, a solução eletrolítica concentrada teria que ser separada da água do mar por uma membrana semipermeável, permitindo que a água pura passe por ela por osmose da água do mar diluída.

Dada a pressão exercida pelo mar debaixo d'água, não haveria necessidade de um recipiente de contenção de alta pressão para o eletrólito, conforme exigido pelos sistemas de eletrólise de alta pressão operando na superfície. A membrana semipermeável seria suficiente para manter a solução eletrolítica contida.

Scottish Scientist sugere que a energia solar offshore poderia ser implantada na costa oeste da África, entre as Ilhas Canárias e as Ilhas Caper Verde. Outra área potencial para implantação deste sistema poderia ser em algum lugar ao redor da Espanha ou no Mediterrâneo. A eletricidade seria transportada dessas áreas por interconectores submarinos, como acontece com os parques eólicos offshore.

Mares profundos, necessários para o armazenamento de hidrogênio, digamos com uma profundidade superior a 4.000 metros, podem ser encontrados principalmente em áreas específicas do Oceano Atlântico, a sudoeste do Golfo da Biscaia. Nesta base, Scottish Scientist defende que uma área particularmente adequada para este tipo de operação, poderá situar-se apenas a oeste e sudoeste das Ilhas Canárias e a norte das Ilhas de Cabo Verde. No entanto, isso pode não ser próximo o suficiente para fornecer a Europa Ocidental, devido aos custos de cabos de interconexão mais longos.

Inevitavelmente, essa ideia foi recebida com algumas críticas. Por exemplo, um dos comentários no blog sugere que os airbags iriam vazar. No entanto, o Scottish Scientist argumenta que a pressão do lado de fora da bolsa sendo a mesma que a de dentro impediria isso. Em essência, a única maneira de as moléculas de gás, ou átomos, no caso do hélio, vazarem pelo air bag, seria por difusão, que requer um gradiente de pressão para superar a barreira de energia. O mesmo comentário objeta que a contrapressão do hidrogênio, também presente na água, seria muito baixa e que, como as moléculas de hidrogênio são tão pequenas, elas se difundirão pela maioria dos materiais.

Em resposta a isso, o cientista escocês sugere que experimentos com bolsas de mergulho cheias de hidrogênio podem ser usadas para avaliar essa possibilidade e coletar mais dados. Outro comentário no blog observa que já existem patentes para membranas poliméricas carregadas ionicamente que superariam qualquer problema de difusão de gás para fora da bolsa. Além disso, os desafios associados ao armazenamento de hidrogênio estão sendo enfrentados por estruturas orgânicas metálicas (MOFs), compostos que consistem em íons metálicos ou clusters coordenados a moléculas orgânicas formando estruturas uni, bidimensionais ou tridimensionais que poderiam ser usadas para o armazenamento de gases como hidrogênio e dióxido de carbono.

O cientista escocês prossegue afirmando que a diferença de pressão através da parede da bolsa variaria de "nenhuma, na parte inferior da bolsa de gás, à diferença na pressão da água entre a pressão de água mais alta na parte inferior da bolsa à pressão mais baixa da água e ao topo da bolsa, de acordo com a diferença de altura a uma taxa de uma diferença de atmosfera por 10 metros. Portanto, para uma diferença de altura de 5 metros entre o fundo e o topo da bolsa de gás, a diferença de pressão seria de 0,5 atmosferas na parte superior da bolsa. ”

Em outras palavras, o gradiente de pressão seria bastante baixo.

Outro problema potencial seria a distância pela qual a eletricidade será transportada. O cientista escocês sugere que isso seria superado pelo desenvolvimento de linhas de transmissão de tensão ainda mais alta. Além disso, a integração de energia solar fotovoltaica com turbinas eólicas e armazenamento de energia em um local remoto também tornaria possível o desenvolvimento de um sistema combinado de geração de eletricidade que forneceria a capacidade máxima de energia da linha de transmissão.

As discussões e debates em torno de ideias como essa continuarão inevitavelmente por muitos anos ainda. No entanto, esta discussão em particular é ilustrativa do pensamento inovador em andamento com relação ao armazenamento de energia, e isso é apenas hidrogênio sendo discutido aqui - há muitas outras ideias promissoras sendo pesquisadas usando uma variedade de abordagens diferentes. Some tudo isso e parece que haverá um desenvolvimento de mercado muito interessante para tecnologias de armazenamento de energia nos próximos anos, se ainda não houver.

Mas vamos ver isso um pouco mais detalhadamente. O que já está acontecendo lá fora?

Recentemente, em 19 de janeiroº este ano, a IHS anunciou que as reduções no custo da bateria, juntamente com programas de financiamento do governo e licitações de serviços públicos, levaram a um aumento de 45 por cento no pipeline de armazenamento de energia global ao longo do quarto trimestre de 2015 (quarto trimestre) em comparação com o trimestre anterior , atingindo 1,6 GW no quarto trimestre de 2015.

O anúncio de vários grandes projetos no final de 2015 mostra que a indústria de armazenamento está começando a transição da fase de pesquisa e desenvolvimento, envolvendo projetos de demonstração, para projetos comercialmente viáveis. Isso incluiu um pedido de 90 MW da STEAG para o mercado de reserva primária na Alemanha e 75 MW de contratos concedidos pela PG&E a uma série de empresas usando várias tecnologias estabelecidas e emergentes.

A IHS espera que aproximadamente 900 MW de projetos globais de baterias conectadas à rede sejam comissionados em 2016, apoiando uma previsão do dobro do armazenamento global de energia conectada à rede instalada. Das instalações planejadas, 45 por cento delas serão nos Estados Unidos e outros 20 por cento no Japão.

Infelizmente, este é um assunto verdadeiramente vasto e que, no que diz respeito à maioria das tecnologias fora das baterias e do armazenamento por bombeamento, ainda está em sua infância. Portanto, uma visão geral verdadeiramente abrangente do que está acontecendo no setor de armazenamento de energia ocuparia várias outras páginas ainda. Portanto, espere mais alguns artigos sobre armazenamento de energia em breve, olhando em um nível mais profundo de algumas das pesquisas que estão acontecendo por aí.


Assista o vídeo: A Energia do Futuro. Energia Renovável (Agosto 2022).