O Panorama Global da Pesquisa em Armazenamento de Energia: Inovação, Aplicações e Tendências Futuras

O armazenamento de energia está a emergir rapidamente como um facilitador crucial para um futuro energético sustentável. À medida que o mundo transita para fontes de energia renovável como a solar e a eólica, a natureza intermitente destes recursos exige soluções robustas de armazenamento de energia para garantir um fornecimento de energia fiável e estável. Esta publicação de blogue aprofunda o panorama global da pesquisa em armazenamento de energia, explorando diversas tecnologias, iniciativas em curso, aplicações no mundo real e as empolgantes direções futuras deste campo vital.

A Importância do Armazenamento de Energia: Uma Perspetiva Global

A integração de fontes de energia renovável no mix energético global é fundamental para mitigar as alterações climáticas e garantir a segurança energética. No entanto, a variabilidade da produção de energia renovável representa um desafio significativo. Os sistemas de armazenamento de energia (ESS) abordam este desafio ao:

• Equilibrar a oferta e a procura: Armazenar o excesso de energia gerado durante períodos de alta produção (ex.: dias de sol para energia solar) e libertá-lo quando a procura excede a oferta (ex.: horas de ponta à noite).
• Melhorar a estabilidade da rede: Fornecer serviços auxiliares como regulação de frequência e suporte de tensão, cruciais para manter uma rede elétrica estável e fiável.
• Viabilizar microrredes e soluções fora da rede: Facilitar o acesso a energia limpa em áreas remotas e comunidades carentes, promovendo a independência e a resiliência energética.
• Apoiar a adoção de veículos elétricos (VE): Fornecer a capacidade de armazenamento de energia necessária para a adoção generalizada de VEs, reduzindo a dependência de combustíveis fósseis no setor dos transportes.

Estes benefícios estão a impulsionar investimentos e esforços de pesquisa significativos em todo o mundo, com o objetivo de desenvolver tecnologias de armazenamento de energia mais eficientes, económicas e sustentáveis.

Um Portfólio Diversificado de Tecnologias de Armazenamento de Energia

O panorama do armazenamento de energia abrange uma vasta gama de tecnologias, cada uma com os seus pontos fortes e fracos, tornando-as adequadas para diferentes aplicações. Aqui está uma visão geral de algumas tecnologias-chave:

1. Armazenamento de Energia Eletroquímica: Baterias

As baterias são a tecnologia de armazenamento de energia mais amplamente reconhecida e implementada. Elas convertem energia química em energia elétrica através de reações eletroquímicas.

a. Baterias de Ião de Lítio (LIBs)

As LIBs dominam os mercados de eletrónicos portáteis e de VEs devido à sua alta densidade de energia, longo ciclo de vida e densidade de potência relativamente alta. A pesquisa em curso foca-se em:

• Melhorar a densidade de energia e o ciclo de vida: Explorar novos materiais de elétrodos e composições de eletrólitos para melhorar o desempenho. Por exemplo, pesquisadores no Japão estão a trabalhar em materiais de ânodo de silício para aumentar drasticamente a densidade de energia.
• Aumentar a segurança: Abordar preocupações de segurança relacionadas com a fuga térmica, desenvolvendo eletrólitos e designs de células mais seguros. Eletrólitos de estado sólido são uma via promissora para melhorar a segurança.
• Reduzir o custo: Explorar materiais de cátodo alternativos como o fosfato de ferro-lítio (LFP) e baterias de ião de sódio para reduzir a dependência de materiais caros e escassos como o cobalto e o níquel.
• Desenvolver capacidades de carregamento rápido: Focar em materiais e designs de células que possam permitir um carregamento rápido, crucial para a adoção de VEs. Empresas como a Tesla estão continuamente a inovar nesta área.

b. Baterias de Estado Sólido (SSBs)

As SSBs substituem o eletrólito líquido das LIBs por um eletrólito sólido, oferecendo vantagens potenciais em termos de segurança, densidade de energia e ciclo de vida. Os esforços de pesquisa concentram-se em:

• Desenvolver eletrólitos sólidos de alta condutividade iónica: Encontrar materiais com alta condutividade iónica à temperatura ambiente para permitir um transporte eficiente de iões. Vários materiais, incluindo cerâmicas, polímeros e compósitos, estão a ser investigados.
• Melhorar o contacto interfacial: Garantir um bom contacto entre o eletrólito sólido e os elétrodos para minimizar a resistência. Este é um grande desafio no desenvolvimento de SSBs.
• Aumentar a escala de fabrico: Desenvolver processos de fabrico escaláveis e económicos para a produção de SSBs. Empresas como a QuantumScape e a Solid Power estão na vanguarda do desenvolvimento de SSBs.

c. Baterias de Fluxo

As baterias de fluxo armazenam energia em eletrólitos líquidos contidos em tanques externos. Elas oferecem vantagens em termos de escalabilidade, longo ciclo de vida e controlo independente da capacidade de energia e potência. A pesquisa está focada em:

• Melhorar a densidade de energia: Desenvolver eletrólitos com maior densidade de energia para reduzir o tamanho e o custo dos sistemas de baterias de fluxo.
• Reduzir o custo: Explorar materiais de eletrólitos mais baratos e abundantes.
• Aumentar a eficiência: Otimizar o design da célula e a composição do eletrólito para melhorar a eficiência de ida e volta.
• Desenvolver novas químicas de eletrólitos: Investigar eletrólitos não aquosos e orgânicos para um melhor desempenho e sustentabilidade.

As baterias de fluxo são particularmente adequadas para aplicações de armazenamento de energia em escala de rede. Empresas como a VanadiumCorp e a Primus Power estão ativamente envolvidas no desenvolvimento e implementação de baterias de fluxo.

d. Baterias de Ião de Sódio (SIBs)

As SIBs utilizam iões de sódio como portador de carga, oferecendo uma alternativa potencial às LIBs devido à abundância e baixo custo do sódio. Os esforços de pesquisa focam-se em:

• Desenvolver materiais de elétrodos adequados: Encontrar materiais que possam intercalar iões de sódio de forma eficiente e reversível.
• Melhorar o ciclo de vida: Aumentar a estabilidade dos materiais de elétrodos e eletrólitos para alcançar um longo ciclo de vida.
• Aumentar a densidade de energia: Explorar novos materiais e designs de células para melhorar a densidade de energia.

As SIBs estão a ganhar tração para aplicações de armazenamento de energia em escala de rede devido às suas vantagens de custo.

2. Armazenamento de Energia Mecânica

As tecnologias de armazenamento de energia mecânica armazenam energia movendo ou deformando fisicamente um meio. Estas tecnologias incluem:

a. Armazenamento por Bombagem Hidráulica (PHS)

O PHS é a forma mais madura e amplamente implementada de armazenamento de energia em escala de rede. Envolve o bombeamento de água para um reservatório em altitude durante períodos de excesso de energia e a sua libertação através de turbinas para gerar eletricidade quando necessário. A pesquisa foca-se em:

• Desenvolver sistemas de PHS de ciclo fechado: Minimizar o impacto ambiental utilizando reservatórios fora dos rios.
• Melhorar a eficiência: Otimizar os designs de turbinas e bombas para aumentar a eficiência de ida e volta.
• Integrar o PHS com fontes de energia renovável: Desenvolver estratégias de controlo para otimizar a operação de sistemas PHS em conjunto com a geração variável de energia renovável.

O PHS é uma tecnologia comprovada para armazenamento de energia em grande escala, proporcionando benefícios significativos de estabilização da rede.

b. Armazenamento de Energia por Ar Comprimido (CAES)

O CAES armazena energia comprimindo ar e guardando-o em cavernas ou tanques subterrâneos. O ar comprimido é então libertado para acionar uma turbina e gerar eletricidade. A pesquisa foca-se em:

• Melhorar a eficiência: Desenvolver sistemas de CAES adiabáticos que capturam e armazenam o calor gerado durante a compressão, melhorando a eficiência de ida e volta.
• Reduzir o custo: Explorar opções de armazenamento mais baratas, como cavernas de sal.
• Desenvolver sistemas de CAES híbridos: Integrar o CAES com fontes de energia renovável e outras tecnologias de armazenamento de energia.

c. Armazenamento de Energia por Volante de Inércia

Os volantes de inércia armazenam energia rodando uma massa a altas velocidades. Eles oferecem tempos de resposta rápidos e alta densidade de potência, tornando-os adequados para aplicações de curta duração, como a regulação de frequência. A pesquisa foca-se em:

• Melhorar a densidade de energia: Desenvolver volantes de inércia com velocidades de rotação mais altas e materiais mais fortes para aumentar a densidade de energia.
• Reduzir as perdas por atrito: Minimizar o atrito para melhorar a eficiência de ida e volta.
• Otimizar os sistemas de controlo: Desenvolver sistemas de controlo avançados para uma operação precisa e responsiva.

3. Armazenamento de Energia Térmica (TES)

O TES armazena energia na forma de calor ou frio. Pode ser usado para várias aplicações, incluindo:

• Aquecimento e arrefecimento de edifícios: Armazenar energia térmica para uso posterior no aquecimento ou arrefecimento de edifícios, reduzindo o consumo de energia e a procura de pico.
• Processos industriais: Armazenar energia térmica para uso em processos industriais, melhorando a eficiência energética e reduzindo as emissões.
• Energia solar concentrada (CSP): Armazenar energia térmica gerada por centrais de CSP para geração de eletricidade despachável.

As tecnologias de TES incluem:

• Armazenamento de calor sensível: Armazenar energia aumentando a temperatura de um meio de armazenamento, como água, óleo ou rocha.
• Armazenamento de calor latente: Armazenar energia utilizando a mudança de fase de um material, como o derretimento de gelo ou a solidificação de um hidrato de sal.
• Armazenamento de energia termoquímica: Armazenar energia utilizando reações químicas reversíveis.

Os esforços de pesquisa focam-se no desenvolvimento de novos materiais com alta capacidade de armazenamento térmico e na melhoria da eficiência dos sistemas de TES.

Iniciativas Globais de Pesquisa e Financiamento

A pesquisa em armazenamento de energia é um esforço global, com investimentos e iniciativas significativas em curso em vários países e regiões. Alguns exemplos notáveis incluem:

• O Departamento de Energia dos EUA (DOE): O DOE lançou várias iniciativas para acelerar a pesquisa e o desenvolvimento de armazenamento de energia, incluindo o Energy Storage Grand Challenge e o Joint Center for Energy Storage Research (JCESR).
• A União Europeia (UE): A UE estabeleceu a Aliança Europeia de Baterias (EBA) para promover o desenvolvimento de uma indústria de baterias competitiva e sustentável na Europa. O programa Horizon Europe da UE também financia numerosos projetos de pesquisa em armazenamento de energia.
• China: A China está a investir fortemente em tecnologias de armazenamento de energia como parte dos seus esforços para transitar para um sistema energético mais limpo. O país tem um forte foco no fabrico de baterias e na implementação de armazenamento de energia em escala de rede.
• Japão: O Japão tem uma longa história de inovação em tecnologia de baterias e continua a investir em pesquisa avançada de armazenamento de energia, particularmente em baterias de estado sólido e armazenamento de hidrogénio.
• Austrália: A Austrália está a implementar sistemas de armazenamento de energia em grande escala para apoiar a sua crescente capacidade de energia renovável. O país também está a investir em pesquisa sobre armazenamento de energia em escala de rede e centrais elétricas virtuais.

Estas iniciativas fornecem financiamento para projetos de pesquisa, apoiam o desenvolvimento de novas tecnologias e promovem a colaboração entre pesquisadores, indústria e agências governamentais.

Aplicações no Mundo Real de Armazenamento de Energia

Os sistemas de armazenamento de energia já estão a ser implementados numa vasta gama de aplicações em todo o mundo. Alguns exemplos incluem:

• Armazenamento de energia em escala de rede: Sistemas de armazenamento de baterias estão a ser usados para fornecer serviços à rede, como regulação de frequência, suporte de tensão e redução de picos de consumo. Por exemplo, a Hornsdale Power Reserve no sul da Austrália é um sistema de armazenamento de baterias em grande escala que melhorou significativamente a estabilidade da rede e reduziu os preços da eletricidade.
• Microrredes: Os sistemas de armazenamento de energia estão a permitir o desenvolvimento de microrredes que podem operar de forma independente da rede principal. As microrredes estão a ser usadas para fornecer energia fiável a comunidades remotas, instalações industriais e bases militares. Por exemplo, inúmeras microrredes em nações insulares usam baterias e energia renovável para reduzir a dependência de combustíveis fósseis importados.
• Veículos elétricos: As baterias são o componente-chave dos veículos elétricos, fornecendo a capacidade de armazenamento de energia necessária para condução de longa distância. O crescimento do mercado de VEs está a impulsionar uma inovação significativa na tecnologia de baterias.
• Armazenamento de energia residencial: Os sistemas de baterias domésticas estão a tornar-se cada vez mais populares, permitindo que os proprietários armazenem a energia solar gerada durante o dia e a usem à noite, reduzindo a sua dependência da rede.
• Armazenamento de energia industrial: Os sistemas de armazenamento de energia estão a ser usados em instalações industriais para reduzir as taxas de procura de pico, melhorar a qualidade da energia e fornecer energia de reserva.

Tendências Futuras na Pesquisa de Armazenamento de Energia

O campo da pesquisa em armazenamento de energia está em constante evolução, com novos materiais, tecnologias e aplicações a emergir. Algumas tendências futuras chave incluem:

• Tecnologias avançadas de baterias: Desenvolvimento contínuo de baterias de estado sólido, baterias de lítio-enxofre e outras tecnologias avançadas de baterias com maior densidade de energia, segurança melhorada e ciclo de vida mais longo.
• Inovações em baterias de fluxo: Desenvolvimento de novas químicas de eletrólitos e designs de células para melhorar o desempenho e reduzir o custo das baterias de fluxo.
• Avanços na ciência dos materiais: Descoberta de novos materiais para elétrodos, eletrólitos e outros componentes de sistemas de armazenamento de energia com desempenho e sustentabilidade melhorados.
• IA e aprendizagem automática: Aplicação de técnicas de IA e aprendizagem automática para otimizar o design, a operação e o controlo de sistemas de armazenamento de energia.
• Integração e gestão de rede: Desenvolvimento de sistemas avançados de gestão de rede para integrar sistemas de armazenamento de energia com fontes de energia renovável e a rede elétrica.
• Armazenamento de hidrogénio: Pesquisa sobre métodos eficientes e económicos para armazenar hidrogénio, um portador de energia promissor para várias aplicações.
• Capacitores eletroquímicos (Supercapacitores): Desenvolvimento contínuo de supercapacitores com alta densidade de potência e capacidades rápidas de carga/descarga.
• Armazenamento de Energia Térmica Inovador: Exploração de novos materiais e configurações para um armazenamento de energia térmica mais eficiente e compacto.

Conclusão: Rumo a um Futuro Energético Sustentável

A pesquisa em armazenamento de energia está a desempenhar um papel crucial na viabilização de um futuro energético sustentável. O desenvolvimento de tecnologias de armazenamento de energia mais eficientes, económicas e sustentáveis é essencial para integrar fontes de energia renovável no mix energético global, melhorar a estabilidade da rede e permitir o acesso a energia limpa para todos. À medida que a pesquisa continua a avançar, podemos esperar ver emergir soluções de armazenamento de energia ainda mais inovadoras, transformando a forma como geramos, armazenamos e usamos energia.

A comunidade global deve continuar a apoiar e a investir na pesquisa de armazenamento de energia para acelerar a transição para um futuro energético mais limpo e sustentável para as gerações vindouras. A colaboração entre pesquisadores, indústria e agências governamentais é fundamental para superar os desafios e realizar todo o potencial das tecnologias de armazenamento de energia. Ao fomentar a inovação e a colaboração, podemos libertar o poder do armazenamento de energia para criar um futuro mais brilhante e sustentável para todos.