Como a mistura de fontes de energia que alimenta casas famintas por energia, as empresas e a indústria passam a incorporar mais energias renováveis, como eólica e solar, a sociedade enfrenta um acerto de contas sobre para onde se virar quando o vento e a luz do sol morrem. O que será necessário para que as fontes mais verdes não apenas se juntem aos combustíveis fósseis na rede elétrica americana, mas eventualmente para deslocá-los?

Em fevereiro de 2019, Los Angeles anunciou planos para eliminar gradualmente três usinas de gás natural até 2029 e substituí-las por uma combinação de energia renovável e armazenamento em bateria. Alguns meses antes, a empresa de serviços públicos da Califórnia, Pacific Gas &Electric, obteve aprovação regulatória para planos semelhantes. Esperava substituir um trio de usinas de gás natural por sistemas de armazenamento de bateria em escala industrial, incluindo um projeto de 730 megawatts-hora a ser projetado e construído pela empresa de carros elétricos Tesla Motors. Para comparação, as duas pequenas usinas programadas para aposentadoria no plano da PG&E podem gerar até 47,6 megawatts de eletricidade quando necessário, enquanto uma planta de gás natural maior no projeto pode produzir até 606 megawatts.

A ideia por trás de ambos os planos é que a natureza caprichosa da energia do sol e do vento cria um problema para os operadores que precisam combinar a quantidade de energia fornecida em todos os momentos com a quantidade de demanda. As tecnologias de armazenamento, incluindo baterias, oferecem uma maneira de manter o equilíbrio entre oferta e demanda, retirando eletricidade da rede quando as energias renováveis ​​são abundantes e enviando-a de volta quando a demanda aumenta ou a produção de energias renováveis ​​é insuficiente.

Os planos de Los Angeles e PG&E têm alguns fatores incomuns. Mas mesmo assim, eles podem oferecer vislumbres de um futuro no qual o armazenamento em grande escala da bateria ajuda a facilitar o caminho para o tipo de combinação de energia que um número crescente de estados exige. A Califórnia determinou no ano passado que toda a sua eletricidade venha de fontes de emissão zero até 2045. E a legislação de eletricidade limpa está na mesa este ano em estados como Minnesota, Novo México, Nova york, e o estado de Washington. Em califórnia, os reguladores também estão exigindo que a PG&E e as outras duas concessionárias de propriedade de investidores adquiram pelo menos 1,3 gigawatts de capacidade de armazenamento de energia para a rede do estado até 2020.

No entanto, as baterias enfrentam obstáculos significativos se pretendem ajudar as energias renováveis ​​a substituir os combustíveis fósseis. Aqui, Simona Onori, professor assistente de engenharia de recursos energéticos na Escola da Terra, Energia e Ciências Ambientais (Stanford Earth), e Frank Wolak, que dirige o Programa do Instituto Freeman Spogli sobre Energia e Desenvolvimento Sustentável, discutir algumas das promessas e armadilhas da implantação de baterias para armazenamento em rede, bem como alternativas viáveis.

Do ponto de vista do desempenho, que tipos de baterias são mais adequados para o trabalho de fornecer armazenamento de energia para a rede?

Simona Onori:em comparação com outras tecnologias de bateria, As baterias de íon-lítio são leves e compactas, com alta capacidade de armazenamento para seu tamanho. Eles são mais resistentes a danos de descarga excessiva e temperaturas extremas, eles têm uma vida útil mais longa e podem circular mais vezes sem perda significativa de capacidade. Os sistemas de armazenamento de energia de íon-lítio requerem pouca manutenção e poucas peças de reposição e as baterias têm uma estrutura modular que se presta a aplicações em larga escala na rede.

Olhando para a frente, melhorias em baterias redox ou de fluxo estão tornando-as uma opção cada vez mais promissora para aplicações estacionárias. Uma tecnologia de armazenamento de energia elétrica conhecida como supercapacitores ou capacitores de camada dupla também pode fornecer grandes benefícios para a rede, especialmente se usado em uma configuração híbrida com outros dispositivos, como baterias de íon de lítio. Com esta configuração, supercapacitores seriam usados ​​para regular a frequência, graças aos seus tempos de resposta rápidos, enquanto as baterias forneceriam energia quando a demanda chegasse ao pico. A viabilidade desta solução ainda não foi totalmente explorada, mas é algo que estamos pesquisando em nosso laboratório.

Quanto se sabe sobre como as baterias de íon de lítio suportarão o estresse e as demandas de armazenamento para a rede?

Onori:O desempenho e a vida útil de qualquer bateria dependerão estritamente de como a bateria é usada. Quanto mais a bateria fica estressada - sob temperaturas extremas, por exemplo - quanto pior terá seu desempenho e menor será sua vida útil. Eles precisam de um sistema de gerenciamento de bateria robusto que os mantenha operando dentro de sua temperatura ideal.

Os fatores de estresse da bateria geralmente são resumidos no que chamamos de ciclo de trabalho. Temos um conhecimento muito sólido sobre os ciclos de trabalho em carros, mas não se sabe muito sobre os ciclos de trabalho da bateria para a rede, principalmente devido à falta de dados de campo. À medida que mais e mais baterias são usadas em aplicações de rede, mais dados serão coletados que podem eventualmente ajudar a construir modelos precisos.

Quais são as alternativas mais viáveis ​​às baterias no que diz respeito ao armazenamento de energia para a rede?

Frank Wolak:Historicamente, a forma mais econômica de armazenamento em escala de rede tem sido uma instalação hidrelétrica de armazenamento bombeado, onde a água é bombeada morro acima quando os preços estão baixos e depois desce por uma turbina para produzir eletricidade quando os preços estão altos.

As preocupações de grupos ambientais e a falta de fontes de receita confiáveis ​​impediram que novas unidades de armazenamento bombeado fossem desenvolvidas em muitos locais atraentes na Califórnia. Além disso, porque o armazenamento bombeado depende de certas características geográficas, como reservatórios que estão próximos em distância, mas distantes em elevação, não pode necessariamente estar localizado onde possa ser mais útil para manter um fornecimento confiável de eletricidade.

O armazenamento em bateria pode oferecer uma alternativa mais barata às usinas a gás?

Wolak:Os investimentos em armazenamento têm uma colina íngreme a subir em relação às unidades de geração a gás natural existentes, que muitas vezes produzem eletricidade a um preço de mercado que está acima do custo marginal de produção da unidade de geração, que fornece receita líquida para recuperar o custo fixo dessas unidades de geração.

A economia de armazenamento pode mudar no futuro em favor das baterias, mas a melhor esperança para armazenamento no curto prazo é um alto preço das emissões de gases de efeito estufa, o que torna mais caro operar usinas de gás natural quando a energia renovável não está disponível.

O armazenamento de energia não é a única maneira de lidar com quedas na produção de energia renovável. Quais são algumas alternativas promissoras?

Wolak:Poderíamos mudar o uso de energia para períodos com significativa produção de energia renovável. Na forma padrão desses programas, os participantes decidem quanta eletricidade consumir por hora com base nos preços de varejo que variam junto com o preço de atacado por hora.

Em califórnia, é mais comum que os provedores vendam reduções de demanda. Sob esses esquemas, se os participantes são capazes de reduzir sua demanda abaixo de uma determinada linha de base, uma concessionária vai pagar a eles por essa redução na mesma taxa que se estivessem fornecendo energia adicional.