Um refrão frequentemente repetido - o sol nem sempre brilha, e o vento nem sempre sopra - às vezes é visto como um impedimento para a energia renovável. Mas também é um impulso para descobrir as melhores maneiras de armazenar essa energia até que ela seja necessária.

Os custos decrescentes nas tecnologias disponíveis impulsionaram o interesse no armazenamento de energia como nunca antes. O preço das baterias de íon-lítio caiu cerca de 80% nos últimos cinco anos, permitindo a integração de armazenamento em sistemas de energia solar. Hoje, quase 18% de toda a eletricidade produzida nos Estados Unidos vem de fontes renováveis ​​de energia, como energia hidrelétrica e eólica - um número que deve aumentar. E à medida que comunidades e estados inteiros buscam maiores porcentagens de energia proveniente de fontes renováveis, não há dúvida de que o armazenamento terá um papel importante.

Comparado com o mesmo período do ano anterior, os Estados Unidos viram um aumento de 93% na quantidade de armazenamento implantado no terceiro trimestre de 2019. Em 2024, esse número deve chegar a 5,4 gigawatts, de acordo com projeção da empresa de pesquisas de mercado Wood Mackenzie Power &Renewables. O valor de mercado está previsto para aumentar de US $ 720 milhões hoje para US $ 5,1 bilhões em 2024. Impulsionar esse crescimento é um maior foco na adição de fontes de energia renováveis ​​à rede elétrica do país.

Somente na última década a adoção generalizada de fontes de energia renováveis ​​tornou-se uma possibilidade econômica, disse Paul Denholm, um analista de energia principal no Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL). Ele ingressou no NREL há 15 anos e, no momento, ele e outros analistas estavam ocupados traçando um caminho para 20% do fornecimento de energia do país vindo de fontes renováveis. Agora, eles estão mirando muito mais alto.

"O custo decrescente da energia eólica e solar e agora das baterias torna concebível considerar 100% das energias renováveis, " ele disse.

O Estudo Futuro de Eletricidade Renovável da NREL estimou que 120 gigawatts de armazenamento seriam necessários em todo o território continental dos Estados Unidos até 2050, quando o cenário imaginou um futuro onde 80% da eletricidade virá de recursos renováveis. O país tem atualmente 22 gigawatts de armazenamento de energia hidrelétrica bombeada, e outro gigawatt em baterias.

Implantação de armazenamento obrigatório no Havaí

Havaí, que deve importar todos os seus combustíveis fósseis e, como resultado, paga um alto preço pela eletricidade, está testando o uso de armazenamento em bateria para atingir seus objetivos de energia. O estado almeja 100% de energia limpa até 2045, usando energia renovável e maior eficiência energética. The AES Corporation, baseado na Virgínia, instalou o maior sistema solar mais armazenamento do mundo no extremo sul de Kauai.

Painéis solares capazes de produzir 28 megawatts de eletricidade foram combinados com 18, 304 módulos de bateria de íon-lítio. As baterias são carregadas durante o dia e fornecem energia no início da manhã e à noite, quando os painéis solares não estão gerando eletricidade.

O sistema armazena energia suficiente para atender às necessidades de eletricidade por quatro horas e elimina a necessidade de 3,7 milhões de galões de combustível anualmente, de acordo com a Kauai Island Utility Cooperative, que fornece energia para a ilha. Kauai agora gera cerca de 55% de sua energia por meio de sistemas fotovoltaicos (PV).

Os pesquisadores do NREL testaram o quão bem esse sistema de armazenamento PV funcionaria instalando e avaliando uma versão reduzida em seu Campus Flatirons.

"Você pode ver simulações e alguns gráficos. Não é nada tão convincente quanto ver um dispositivo do tamanho de um utilitário operando, "disse Przemek Koralewicz, investigador principal do projeto de teste. "Isso lhe dá muita confiança."

Uma segunda planta de armazenamento AES PV-plus agora em construção na base da Marinha em Kauai fornecerá eletricidade aos clientes conforme necessário, mas também servirá como uma microrrede isolada para os militares caso a energia seja interrompida. Quando a nova planta entrar em operação no próximo ano, cerca de 60% da eletricidade em Kauai virá de fontes renováveis.

“Essas duas usinas da AES podem fornecer metade da energia para toda a ilha, "Koralewicz disse." Durante a noite, eles podem fornecer potência total, em certos cenários. É por isso que é importante testá-lo. A AES não quer que seja instável ou tenha problemas. "

O armazenamento da bateria fornece uma maneira de manter a rede estável, permitindo um equilíbrio instantâneo entre oferta e demanda. O armazenamento também está preparado para substituir a geração de energia convencional durante as demandas de pico, eliminando a necessidade de plantas adicionais, mas as limitações dificultam o uso de baterias. Uma usina pode permanecer operacional por décadas, mas a bateria deve ser substituída após cerca de 12 anos. As baterias também sofrem com uma capacidade limitada, o que significa que eles normalmente só podem armazenar energia suficiente para fornecer energia por quatro horas.

Custo de armazenamento não é fácil de quantificar

Determinar o custo de armazenamento ainda é difícil de entender. Uma métrica freqüentemente usada chamada custo nivelado de energia (LCOE) permite uma comparação do custo para gerar eletricidade por diferentes meios. Mas o LCOE só é preciso quando as tecnologias diferentes fornecem os mesmos serviços.

Um grupo de pesquisadores do NREL, incluindo David Feldman e Robert Margolis, desenvolveu um LCOE para armazenamento solar plus. "Como todos os LCOEs, tem suas limitações de uso, "Feldman disse." Um dos desafios, particularmente para armazenamento, é que existem tantos casos de uso diferentes que o custo não significa muito, a menos que você esteja definindo o valor que o sistema traz. "

O uso de armazenamento pode economizar dinheiro de uma concessionária, reduzindo a necessidade de gerar eletricidade e evitando custos de transmissão.

Um artigo de autoria do NREL publicado no ano passado em The Electricity Journal descobriram que a energia solar mais armazenamento reduziu os custos de serviços públicos para edifícios comerciais em mais da metade das 17 cidades examinadas, em alguns casos, em até 24%. Usando baterias para armazenamento, as propriedades foram capazes de compensar as taxas de uma concessionária que exigem que os usuários paguem mais durante os horários de pico de demanda.

Usinas de energia de pico, alimentado por gás natural e ligado para ajudar a atender a demanda de pico, executar comparações de custo com baterias capazes de armazenar quatro horas de energia. Por esse período, a balança pende a favor das baterias. Além de quatro horas, no entanto, a bateria fica mais cara.

“A razão pela qual temos tantas plantas de pico é o ar condicionado, "disse Denholm." É quando usamos mais eletricidade. Uma coisa que você pode fazer é em vez de construir um monte de usinas de energia que funcionam apenas 100 horas por ano quando está muito quente, você pode armazenar energia fria na forma de gelo ou algo assim. Faça gelo às 4 da manhã e depois, quando fica quente no meio da tarde, você pode liberar essa energia fria armazenada e resfriar sua casa ou prédio. "

As tecnologias abrangem uma ampla gama

"Há um mal-entendido. O armazenamento é muitas vezes visto como armazenamento eletroquímico ou armazenamento de bateria, "disse Adarsh ​​Nagarajan, o gerente do grupo de Projeto e Planejamento de Sistemas de Energia do NREL e que trabalha extensivamente na integração de energias renováveis ​​na rede. "O armazenamento vai além das baterias. Vai além da eletroquímica. É muito mais amplo."

O Banco de Dados de Armazenamento de Energia Global do Departamento de Energia (DOE) conta quase 700 projetos de armazenamento anunciados, operacional, ou em construção nos Estados Unidos que dependem de uma miríade de tecnologias. Além das baterias, os métodos de armazenamento incluem gelo, hidrelétrica bombeada, aquecer, água fresca, e eletroquímico. Ainda outras tecnologias estão em desenvolvimento.

"Não há um vencedor, "Disse Nagarajan." Todos eles devem trabalhar juntos para atingir um determinado objetivo, que é estabilidade e resiliência da rede e para atender às necessidades do cliente. "

Mas mesmo com tantas maneiras de armazenar energia já disponíveis, tecnologias novas ou aprimoradas estão sendo propostas constantemente. Pesquisadores do NREL desenvolveram uma técnica para injetar gás natural em poços esgotados, patenteou um método para armazenar hidrogênio pressurizado dentro de turbinas eólicas especialmente projetadas, e melhorou o design das baterias de íon de lítio para que durem mais.

Favoritos claros surgiram entre as tecnologias de armazenamento já em uso. O DOE Energy Storage Technology and Cost Characterization ReportPDF calculou que, entre as tecnologias de bateria, baterias de íon-lítio fornecem a melhor opção para armazenamento de quatro horas em termos de custo, atuação, e maturidade da tecnologia. Por um longo período, energia hidrelétrica de armazenamento bombeado e armazenamento de energia de ar comprimido são considerados as melhores opções. Entre aqueles dois, O armazenamento hidrelétrico bombeado é a tecnologia mais madura e foi responsável por 98% do armazenamento de energia em todo o mundo implantado em 2018.

Água mais comumente usada no armazenamento

A energia hidrelétrica de armazenamento bombeado é a espinha dorsal da capacidade de armazenamento do país. Historicamente, foi usado para incorporar grandes, geração inflexível no sistema de energia. Atualmente, o armazenamento bombeado está sendo usado para ajudar a integrar grandes quantidades de energia renovável na rede, servindo como uma tecnologia capacitadora que melhora a confiabilidade e reduz custos. A hidrelétrica de armazenamento bombeado depende de dois reservatórios localizados em elevações diferentes. A eletricidade gerada, mas não necessária imediatamente, é usada para bombear água do reservatório inferior para o superior. Quando a energia é necessária, a água armazenada é liberada para fluir morro abaixo e alimentar uma turbina.

"Um dos verdadeiros desafios que a hidrelétrica enfrenta é que pode levar de oito a 10 anos para que uma usina seja construída, "disse Greg Stark, o gerente técnico de energia hidrelétrica do NREL, bem como o líder de integração da rede de energia hídrica do laboratório. "Dada toda a incerteza nos mercados de energia, as pessoas hesitam em investir em um projeto de 10 anos. "

Para ajudar a resolver essas questões de tempo de chegada ao mercado, o DOE instituiu o Desafio de Comissionamento RÁPIDO. Tessa Greco, O novo gerente de projetos inovadores de energia hídrica do NREL, está liderando a competição para o Escritório de Tecnologias de Energia Hídrica do departamento, com o objetivo de reduzir o tempo de execução do projeto pela metade e, ao mesmo tempo, reduzir os custos e riscos associados à colocação online do armazenamento bombeado. A Federal Energy Regulatory Commission também reconheceu esses desafios e ordenou que as decisões de licenciamento para projetos de armazenamento bombeado em ciclo fechado sejam tomadas dentro de dois anos. Até aqui, esse tipo de sistema - que não está conectado a um corpo de água existente e, portanto, reduz as preocupações ambientais - ainda precisa ser construído nos Estados Unidos.

Vários projetos estão em andamento, incluindo o projeto Gordon Butte em Montana. O sistema Gordon Butte, que foi permitida e deve começar a construção este ano, usará dois reservatórios artificiais e três turbinas para fornecer 400 MW de capacidade e 8,5 horas de armazenamento. O armazenamento bombeado historicamente exigiu um design exclusivo e uma estratégia de construção para cada novo projeto; Contudo, o projeto Gordon Butte apresenta um modelo replicável, o que pode economizar dinheiro para desenvolvedores em potencial.

"O armazenamento bombeado realmente se destaca quando você precisa de grandes quantidades de energia por um longo período de tempo, "Stark disse." Parte disso é porque o custo incremental para aumentar a duração do armazenamento bombeado é apenas construir um reservatório maior. Ainda são as mesmas turbinas e outras infraestruturas, enquanto com armazenamento de bateria, por exemplo, se você quiser mais duração, você tem que comprar mais baterias. "

O armazenamento sazonal requer um estudo cuidadoso

O armazenamento de energia de longo prazo é aproximadamente definido como de 10 a 100 horas. Qualquer coisa acima disso é considerada sazonal. O vento sopra mais na primavera, portanto, ser capaz de capturar essa energia até que ela possa ser usada quando necessário no verão cria oportunidades de pesquisa. Hidrogênio, energia hidrelétrica, e o ar comprimido são as tecnologias mais viáveis ​​para armazenar energia por longos períodos, de acordo com Omar Guerra e Josh Eichman, pesquisadores do NREL estudando o valor das tecnologias de armazenamento sazonal de energia.

Trabalhando em parceria com a Southern California Gas Company, O NREL instalou um biorreator para testar a tecnologia power-to-gas como uma forma de armazenar energia renovável. O projeto, um primeiro nos Estados Unidos, depende de microorganismos que convertem hidrogênio e dióxido de carbono em metano. O metano pode ser armazenado no duto da empresa para uso posterior.

A rede de dutos de gás natural nos Estados Unidos se estende por cerca de 5 milhões de quilômetros e já é usada como veículo de armazenamento. "Está movendo o gás, mas também é uma maneira de armazená-lo, "disse Keith Wipke, gerente do programa de tecnologias de células a combustível e hidrogênio do NREL.

O hidrogênio pode ser adicionado ao gasoduto de gás natural - até cerca de 10% - ou armazenado separadamente. Um método para armazenar hidrogênio que foi proposto - mas ainda não foi amplamente adotado - é abrir espaço dentro de cavernas de sal, Wipke disse.

O armazenamento de gás natural ajuda a se proteger contra flutuações de preços e atender às demandas sazonais, mas o custo do equipamento paralisou a adoção do armazenamento sazonal de eletricidade. O armazenamento de hidrogênio continua sendo uma tecnologia emergente, mas, à medida que a pesquisa leva a melhorias, espera-se que seja o método mais econômico para manter e descarregar eletricidade de pelo menos uma semana, Disse Guerra. Prevê-se que a energia hidrelétrica bombeada e o armazenamento de ar comprimido de até dois dias sejam competitivos em termos de custos com a geração de nova eletricidade.

"O armazenamento de energia hidráulica bombeada e de ar comprimido são tecnologias bem desenvolvidas, então não esperamos um declínio significativo nos custos de capital, "Guerra disse." Esses custos também podem depender da localização. Em alguns lugares, você pode ter a oportunidade de desenvolver hidrelétricas bombeadas de maneira econômica. Em outros lugares, você pode ter a oportunidade de armazenamento de energia de ar comprimido. "

"Precisamos reduzir o custo das tecnologias que temos hoje, e certamente algumas novas tecnologias que são melhores e mais baratas seriam boas, "Wipke disse.

Zhiwen Ma está trabalhando exatamente nisso. O pesquisador trabalha no Grupo de Sistemas Térmicos do NREL e concentra seus esforços na concentração de energia solar, ou CSP. A tecnologia usa uma série de espelhos ou lentes para concentrar a luz do sol em uma pequena área, e a energia capturada pode ser armazenada no sal fundido. Mas os sais são corrosivos, portanto, a pesquisa está em andamento para o recipiente de contenção ideal. Em vez de sal, Ma está usando areia para armazenar o calor.

Agência de Projetos de Pesquisa Avançada do DOE - Energia, que financia ideias futuristas, concedeu à NREL $ 2,8 milhões para investigar a viabilidade do sistema de armazenamento de energia térmica de baixo custo de Ma. Quando necessário, a areia aquecida aquecerá um fluido que aciona uma turbina a gás conectada a um gerador.

“As principais vantagens sobre o sal fundido são o baixo custo e desempenho, "Ma disse. A areia é uma fração do custo do sal, mas pode ser aquecida a 1, 200 graus centígrados em comparação com 600 graus para o sal nitrato ou 800 graus para o sal cloreto.

Com tantas opções para armazenar energia, os pesquisadores estão determinados a encontrar os melhores métodos. Afinal, o sol nem sempre brilha, e o vento nem sempre sopra.