Armazenamento de energia: baterias vs. térmico
A relevância estratégica do armazenamento de energia
P+D+I Armazenamento energético
O sucesso da descarbonização e da transição para um consumo maioritário ou total de energias renováveis depende da sua estabilidade ao longo do dia. Dessa maneira, não basta somente otimizar a produção de energias verdes, mas também é necessário aperfeiçoar seu armazenamento para poder controlar sua entrada na rede elétrica e evitar problemas decorrentes da sua natureza intermitente. É aqui que entram em jogo as soluções de armazenamento de energia, como os sistemas BESS (Battery Energy Storage System) de baterias ou o armazenamento térmico, cuja utilização combinada ajudará a renovar a rede atual para garantir uma utilização maioritária de energias limpas.
A produção e o uso de energias geradas de forma sustentável se tornaram uma necessidade nas últimas décadas. O uso exponencial de energia elétrica (tanto em sua capacidade industrial e comercial quanto residencial) obrigou a que se buscassem fontes que aproveitassem recursos naturais e inesgotáveis, como a luz solar ou o vento, e não emitissem gases de efeito estufa na atmosfera para cobrir a demanda.
No entanto, a transição energética tem sido marcada pela disponibilidade desses recursos naturais. Ou seja, sem esses raios de sol ou sem a força do vento disponíveis 24 horas por dia, a produção parava. Isso criou um desafio em todo o setor energético para garantir o melhor fornecimento: o armazenamento de energia.
A crescente necessidade de armazenar energia
Atualmente, a dependência energética é importante em todo o mundo. Qualquer corte de energia ou problema no fornecimento, principalmente se for por um tempo prolongado, tem consequências diretas na economia e na vida das pessoas. Para garantir o funcionamento normal de infraestruturas críticas, indústria, espaços comerciais, residências e escritórios, é necessário criar estratégias capazes de fornecer essa energia.
Tal é a importância de contar com esse armazenamento e saber com exatidão a disponibilidade energética atual que a União Europeia lançou um projeto para monitorá-la em tempo real: o Inventário Europeu de Armazenamento de Energia (European Energy Storage Inventory, em inglês).
Essa iniciativa evidencia a necessidade de dispor de sistemas inteligentes que forneçam informações em tempo real. Dessa forma, é possível controlar e regular a matriz energética, mas também conhecer a sua capacidade em caso de falha da rede. Atualmente, as tecnologias mais difundidas são a eletroquímica, na forma de baterias; a mecânica, com sistemas de bombeamento de água, ar comprimido e volantes de inércia; e outras estão avançando, como o armazenamento térmico e o armazenamento químico.
O desenvolvimento de novos métodos de armazenamento de energia elétrica é crucial para alcançar essa resiliência do sistema energético mundial. Da mesma forma, buscar a eficiência e trabalhar em soluções mais escaláveis para as tecnologias atuais também está na rota do setor.
Contribuição para a estabilidade e resiliência da rede
O sistema de rede elétrica funciona com base em duas fontes principais: combustíveis fósseis e energias renováveis. Os primeiros têm sido a principal fonte de energia há muitos anos, mas seu uso gera dois problemas fundamentais: a contaminação atmosférica pela emissão constante de CO2 na atmosfera; e o uso de matérias-primas finitas e sujeitas a decisões geopolíticas. Por outro lado, as energias verdes estão em alta por serem uma forma de produção menos poluente, mas mais intermitente. É aqui que o uso de baterias revolucionou as regras do jogo.
Ajudam a compensar a intermitência das energias renováveis, armazenando o excesso de produção e estabilizando sua contribuição para a rede global, a fim de evitar picos nos momentos de produção máxima.
Trazem flexibilidade ao sistema energético, pois estabilizam a frequência e a tensão que são fornecidas à rede global, melhorando assim a prestação de serviços em geral.
Melhoram a segurança energética em situações de crise ou escassez de combustíveis fósseis. Além disso, garantem o fornecimento em caso de cortes pontuais no serviço, evitando perdas econômicas e melhorando a independência e a descentralização energética.
Impactam positivamente no mercado energético, fornecendo gigawatts para consumo constante, o que se traduz em preços mais econômicos para os consumidores e, consequentemente, em uma maior utilização deste tipo de tecnologias.
Diminuem a dependência dos combustíveis fósseis. Os diferentes sistemas de armazenamento de energias renováveis ajudam a reduzir a necessidade de importação e transporte desse tipo de matérias-primas para a produção de energia, promovendo um consumo energético mais responsável com o meio ambiente.
Maximização do potencial das energias renováveis
A Agência Internacional de Energia (IEA, na sigla em inglês) prevê que a capacidade de armazenamento instalada aumente significativamente nos próximos anos, ultrapassando os 270 GW em 2026. Por sua vez, a Comissão Europeia previu, através de diferentes estudos, dois marcos importantes no armazenamento de energias renováveis: atingir 200 GW em 2030 e chegar a 600 GW para o ano 2050.
Com esses objetivos no horizonte, o mercado se esforça para encontrar alternativas ao sistema de conservação de energia predominante: o armazenamento hidrelétrico reversível ou por bombeamento. Esse formato, apesar de ser uma alternativa que permite armazenar energia que é liberada durante vários dias, não apenas cobrindo as necessidades de algumas horas, apresenta limitações devido a sua complexa infraestrutura e à dependência geográfica de grandes massas de água.
É aqui que entram em jogo outros modelos e tecnologias. Um dos métodos mais comuns são as baterias, principalmente as de íon-lítio, que se popularizaram pela versatilidade de seus usos, cujas aplicações vão desde dispositivos eletrônicos ou carros elétricos até sistemas mais amplos e complexos que abastecem grandes instalações com alta demanda de energia. A densidade energética que são capazes de acumular, juntamente com as matérias-primas com que são fabricadas (além das baterias de íon-lítio, existem as de sódio-enxofre, chumbo ou vanádio), e sua modularidade as tornam ótimas candidatas.
Por sua vez, o armazenamento térmico, que funciona com diferentes materiais, como sais fundidos, areia ou gelo, por exemplo, ganha destaque por ser capaz de armazenar grandes quantidades de energia térmica. E embora existam tecnologias que permitem a conversão de calor em eletricidade, seu uso mais eficiente está na conservação e posterior aproveitamento desse calor.
O que é armazenamento de energia?
Descubra o que são os sistemas de armazenamento térmico e todos os seus tipos.
Baterias de íon-lítio
O futuro da eletrificação precisa de armazenamento de energia: as baterias de lítio são uma das mais utilizadas.
Os avanços do armazenamento
As mudanças na nossa forma de produzir e consumir energia impulsionam a inovação nas redes e no armazenamento de energia.
Rede de calor
As redes de aquecimento e refrigeração são responsáveis pelo fornecimento de energia térmica a múltiplos usuários, incluindo edifícios residenciais, terciários e até mesmo indústrias.
Sistemas de armazenamento de energia em bateria (BESS): energia flexível sob demanda
A seguir, você conhecerá com mais detalhes dois desses métodos de conservação da energia produzida por fontes renováveis. Começaremos pelo armazenamento de energia elétrica em baterias.
Os Sistemas de Armazenamento de Energia em Baterias (BESS, na sigla em inglês) são uma tecnologia que já está ajudando na otimização das energias renováveis. Como o próprio nome indica, trata-se de um sistema composto por diferentes elementos, além da bateria, para cumprir sua função principal: armazenar energia e liberá-la rapidamente na forma de eletricidade para a rede para consumo.
Portanto, nos sistemas BESS, tanto o hardware quanto o software entram em ação para controlar de forma inteligente todo o processo.
- Baterias: são a base de todo este sistema, o ponto em que toda a energia é armazenada e podem ser de dois tipos:
- geralmente utilizam tecnologia de íon de lítio por sua confiabilidade, bom desempenho e custo competitivo,
- mas também podem ser construídas com baterias de fluxo, que são facilmente recicláveis, seguras e com uma duração aproximada de 20 anos.
- Sistema de gestão de baterias (BMS): controla o estado de carga e descarga, além de monitorar aspectos como temperatura e ciclo de vida.
- Sistema de conversão de energia (PCS): transforma a energia armazenada (corrente contínua) na forma utilizada pela rede (corrente alternada).
- Sistema de gestão de energia (EMS): coordena todos esses componentes, determina quando armazenar e quando liberar energia e garante que tudo funcione de maneira segura e eficiente.
Baterias BESS e seus componentes
Uma bateria BESS (Battery Energy Storage System, na sigla em inglês) é um sistema de armazenamento de energia que desempenha um papel fundamental na estabilização das redes elétricas, facilitando a integração de energias renováveis e aumentando a eficiência energética. Saiba quais são seus principais componentes.
Baterias
São o principal componente desses sistemas, onde a energia é armazenada. Estão compostos de vários elementos.
Sistema de conversão de energia (PCS)
Dispositivos que convertem a corrente contínua (CC) armazenada nas baterias em corrente alternada (CA) para uso por parte da rede ou dos consumidores finais.
Rede elétrica
Fontes renováveis
Um sistema de armazenamento de energia pode operar em conjunto com fontes renováveis para armazenar energia sem comprometer a estabilidade devido a flutuações não planejadas na geração de energia elétrica.
Sistema de gestão de energia (EMS)
É o núcleo central do sistema, responsável por monitorar e gerenciar o fluxo de energia entre o equipamento e as baterias. Coordena o trabalho entre os diferentes BMS, PCS e outros componentes auxiliares.
Vantagens do armazenamento em baterias
Além de poder conservar o excedente de energia produzida a partir de fontes renováveis e integrá-la de forma eficiente na rede, o uso de baterias tem algumas vantagens específicas que as tornam uma alternativa forte para a transição que está ocorrendo.
- Capacidade de atuar como ilhas energéticas. Algumas baterias estão conectadas a sistemas de produção de energia, como solar ou eólica, mas outras, conhecidas como stand-alone, podem operar de forma independente. Assim, podem fornecer energia de forma independente.
- Flexibilidade e modularidade. A própria natureza desse sistema facilita uma modularidade e flexibilidade na localização dessa infraestrutura que outras opções não possuem.
- Arranque autógeno. Apesar de que não exista avanços na durabilidade da energia armazenada, uma de suas vantagens competitivas é a disponibilidade imediata como fonte de energia em caso de qualquer incidente, sem necessidade de impulso externo.
- Grande capacidade de armazenamento em um espaço reduzido. São fáceis de adaptar a diferentes ambientes.
Principais aplicações das baterias BESS
Para compreender melhor os usos habituais das BESS, convém segmentá-las por aplicações no mercado e energia armazenável. Desta forma, é possível distinguir com clareza os principais usos dessa tecnologia:
- Aplicações FTM (front-of-the-meter), que geralmente ultrapassam os 10 MWh e estão associadas a instalações de serviços públicos, como usinas de produção de energia verde ou infraestruturas críticas.
- Aplicações BTM (behind-the-meter) em C&I. No setor industrial, contam com sistemas b, de acordo com as necessidades de cada instalação.
- Aplicações BTM para uso residencial, que geralmente são inferiores a 30 kWh para armazenar a energia gerada por instalações fotovoltaicas destinadas ao autoconsumo ou para alimentar infraestruturas de recarga de veículos elétricos, por exemplo.
Além disso, esse tipo de baterias pode ser integrado em microrredes de distribuição e para fornecer energia a regiões mais afastadas e de difícil acesso.
Aplicaçoes das baterias BESS [PDF]
Armazenamento de energia térmica: compreensão de seus fundamentos
Uma opção que está crescendo no mercado é o armazenamento de energia térmica (TES). Trata-se de uma tecnologia com séculos de existência, sendo o armazenamento de frio em gelo ou mesmo o braseiro ou o aquecedor de água alguns exemplos cotidianos de seu uso. No entanto, para aplicá-la em grande escala e ajustá-la às necessidades energéticas atuais, foi necessário um árduo trabalho de pesquisa e desenvolvimento que continua em andamento. Agora, permite armazenar energia geotérmica, solar, calor residual industrial ou de baixa qualidade para gerar eletricidade e regular a temperatura (aquecimento, refrigeração...) através de sistemas mais complexos que podem operar em projetos de grande envergadura.
O que é energia térmica ou calorífica
É a energia gerada através do movimento aleatório de moléculas e átomos. Quanto maior o movimento, mais energia calorífica é gerada. Esse calor pode ser transferido através de três métodos: condução, convecção e radiação.
Como é armazenada
O armazenamento de energia térmica captura calor ou frio, armazena-o e libera-o para gerar energia semelhante ou elétrica. Além de água a diferentes temperaturas, isso é feito através de materiais especiais, como os de mudança de fase, que nesse processo de transformação conservam e liberam a energia. Trata-se de uma tecnologia que permite conservar um grande volume de energia durante períodos prolongados, o que contribui significativamente para a eficiência e o avanço das energias sustentáveis.
Tipos de armazenamento de energia térmica
Embora as aplicações desse tipo de armazenamento tenham séculos de existência, ele sempre foi utilizado para liberar o mesmo tipo de energia que continha: calor ou frio. A complexidade na hora de implementá-la, especialmente em grandes projetos, surge quando, em vez de buscar o aproveitamento desse calor residual, é necessário transformá-lo em eletricidade. É nesse ponto que a tecnologia precisa de mais tempo e investimento para amadurecer adequadamente. No entanto, os avanços continuam ocorrendo e já existem vários tipos de armazenamento de energia térmica:
- Armazenamento de calor sensível (SCS): conserva o calor em materiais como água ou sais fundidos, muito utilizados em usinas termossolares. Aqui, é a mudança de temperatura nesses materiais que reflete a quantidade de energia armazenada.
- Armazenamento de calor latente (LHS): utiliza materiais que absorvem e liberam energia por meio de uma mudança de fase, por exemplo, de sólido para líquido.
- Armazenamento de calor termoquímico (TCHS): seu funcionamento se baseia em reações químicas reversíveis que armazenam ou liberam calor.
Embora também possamos dividi-los em função da temperatura de funcionamento:
- Baixas: desde temperaturas abaixo de zero até aproximadamente 100 ºC. Um exemplo representativo desse tipo são os aquíferos para armazenamento de água quente.
- Média: em torno de 300 ºC.
- Altas: armazenam até 1000 ºC. Um exemplo são os tanques de sais fundidos que contêm uma mistura de nitrato de sódio e potássio, cuja faixa de funcionamento habitual está entre 285-565 ºC.
Materiais utilizados no armazenamento térmico
A água é uma das matérias-primas utilizadas há mais tempo para o armazenamento térmico (tanto frio como quente). No entanto, os sais fundidos são um dos materiais mais comuns para sua aplicação em grande escala, graças à sua disponibilidade e facilidade de reciclagem.
Existem também projetos em que se utilizam areia, pedras, concreto ou cerâmica pelas suas propriedades de absorção e liberação de calor. E a investigação para a utilização de materiais termocímicos também está em alta, uma vez que se prevê que possam multiplicar por 10 as densidades energéticas, de acordo com o CIC EnergiGUNE.
Vantagens do armazenamento térmico
Recorrer a este tipo de armazenamento tem muitas vantagens quando se trata de ampliar o uso da energia gerada de forma sustentável. E embora não seja uma tecnologia tão difundida quanto as baterias ou o armazenamento mecânico, o mercado está investindo em seu desenvolvimento porque:
- Como todos os sistemas de armazenamento de energia, reduz a dependência de combustíveis fósseis e contribui para um melhor desempenho e estabilidade da rede elétrica.
- Reduz os custos operacionais para a indústria. Ao aproveitar o calor residual e reutilizá-lo, os gastos com energia ficam mais baratos.
- Permitem armazenar energia durante longos períodos.
- É versátil. Pode armazenar energia na forma de calor para uso posterior ou convertê-la em eletricidade.
- É altamente escalável e adaptável, especialmente em projetos de grande porte.
- O investimento inicial é elevado, mas o custo operacional é baixo, principalmente quando se utilizam sais fundidos ou armazenamento latente.
Principais usos do armazenamento térmico
Considerando que essa tecnologia ainda se encontra em fase inicial de implementação, suas aplicações ainda não estão amplamente difundidas. No entanto, a mais comum no contexto da conservação da produção de energias renováveis é o armazenamento do calor produzido em centrais termossolares, especialmente através da utilização de sais fundidos.
Os armazenamentos sensíveis com água podem ser usados como sistemas de aquecimento para edifícios, casas e áreas residenciais, e como água quente sanitária. Esse é o uso mais difundido dessa tecnologia porque a eficiência para fornecer o calor novamente é muito alta, mais do que se fosse usada uma bateria.
Embora não se aplique para armazenar o excedente de energias renováveis, existem aplicações desse tipo de tecnologia para o isolamento de edifícios, o que contribui para a regulação da temperatura interior e a consequente economia de energia.
Do ponto de vista da otimização, o mais conveniente é utilizar o armazenamento térmico para usar e liberar calor. Isso porque a atual tecnologia não conseguiu evitar a perda da maior parte da energia conservada, já que apenas converte de forma eficiente entre 30% e 40% dessa energia térmica em eletricidade.
Baterias vs. armazenamento térmico: uma análise comparativa
Embora sejam duas tecnologias com vantagens semelhantes, suas aplicações podem variar. Por um lado, encontramos as baterias ou sistemas BESS, mais avançados tecnologicamente e com uso mais difundido no setor de energias renováveis, porém seu uso tem limitações. Os custos de manutenção, a capacidade máxima de armazenamento ou seu ciclo de vida, aliados à complexidade de fabricação e reciclagem das baterias, estão condicionando seu crescimento.
Por outro lado, o armazenamento térmico é muito promissor para armazenar energia calorífica, mas o mercado ainda não está suficientemente desenvolvido. No entanto, apresenta um grande potencial devido à sua escalabilidade, modularidade, baixa manutenção e durabilidade.
A distinção fundamental: eletricidade vs. calor
A principal diferença entre esses dois tipos de armazenamento está no tipo de energia que podem armazenar. Já quanto à energia liberada, ambos casos podem, em determinadas condições gerar eletricidade.
No caso dos sistemas BESS, sua operação se restringe exclusivamente ao armazenamento, conservação e liberação de energia elétrica. Portanto, essa é a característica essencial a ser considerada ao incorporá-los em um projeto
Por sua vez, o armazenamento de energia térmica aproveita o calor para conservar e, posteriormente, produzir calor ou eletricidade, conforme necessário. Essa característica é que determinará sua utilização em projetos voltados à economia e aproveitamento energético. Nesse caso, a eficiência oferecida é muito diferente: a conversão em eletricidade situa-se em torno a 30-40%; no entanto, quando esse frio ou calor armazenados são libertados dessa mesma forma, seu aproveitamento é praticamente total.
Adequação para diferentes necessidades: quando optar por cada solução
Aquecer um edifício, armazenar o excedente de energia solar produzida em um dia ensolarado, aproveitar o calor gerado em uma fábrica, carregar um carro elétrico... Existem milhares de casos de uso e cada um deles tem necessidades específicas. É aqui que as características específicas de cada opção de armazenamento de energia ganham importância.
Se precisar de rapidez e independência
As baterias permitem uma resposta rápida a qualquer necessidade energética e podem funcionar sem estar conectadas a nenhum outro sistema. Sua universalidade as torna modulares e podem ser instaladas em diversos ambientes.
Se precisar armazenar energia térmica
A única opção disponível é o armazenamento de energia térmica, que permite captar esse calor e armazená-lo para uso posterior ou transformá-lo em energia elétrica.
Se precisar que seja escalável, mas de forma econômica
Os armazenamentos térmicos são facilmente escaláveis e flexíveis porque podem aumentar sua capacidade com o acréscimo da matéria-prima escolhida. Por outro lado, aumentar a capacidade de uma bateria já instalada pode ser mais caro.
Se precisar de eficiência
As baterias são mais eficientes na utilização da energia elétrica. No caso da energia térmica, existe uma perda de 60-70% da energia durante a conversão do calor em eletricidade. No entanto, se for necessário armazenar e liberar calor, o melhor é optar por um armazenamento térmico.
Se for um grande projeto industrial
Ambas as opções são possíveis. Existem baterias que armazenam grandes quantidades de energia em diferentes usinas eólicas e fotovoltaicas, da mesma forma que o armazenamento térmico por sais fundidos ou sistemas de calor latente ou termoquímico. No caso destes últimos, podem armazenar grandes quantidades de energia e liberá-la durante mais tempo, o que, somado à escalabilidade, os torna uma opção muito interessante do ponto de vista econômico. No entanto, as baterias podem oferecer uma corrente ininterrupta.
O futuro do armazenamento de energia: rumo a uma abordagem sinérgica
A tecnologia avança continuamente na busca por novas possibilidades que otimizem a adoção de energias renováveis e ampliem sua participação na matriz energética. Mas esse investimento em pesquisa e desenvolvimento não tem como objetivo consolidar uma única solução: todas as tecnologias possuem espaço no presente e no futuro do consumo de energia.
Com uma compreensão aprofundada das características e limitações de cada alternativa, será mais fácil escolher as mais adequadas para cada projeto. Dessa forma, será criado um cenário em que a coexistência entre diferentes formas de armazenamento não apenas é possível, mas necessária para alcançar a transição energética. Adotar uma abordagem sinérgica na hora de escolher o melhor armazenamento de energia é a única maneira de avançar em direção a um futuro mais sustentável.