 Fundamentos Básicos Gerais das Tecnologias de Armazenamento de Eletricidade Maio de 2015 Eng. J.A.Pimentel Pessôa Dentro dos seus esforços iniciais de dar conhecimento ao público brasileiro das tecnologias de armazenamento de energia a ABAQUE apresenta síntese, em português, de material referenciado neste documento e p ublicado. Todos os créditos devem ser dados aos documentos originais. Indice 1-‐ Apresentação 2-‐ Introdução 2.1-‐Aplicações das tecnologias de armazenamento de energia 2.2-‐Armazenamento de energia para aplicações em sistemas elétricos 2.3-‐Aplicações para alta potencia e rápida descarga 2.4-‐Aplicações quanto ao gerenciamento de energia 2.5-‐Armazenamento de energia para aplicação em transporte 3-‐ Visão geral das tecnologias de armazenamento de energia – Aplicações e Benefícios 3.1-‐Armazenamento de energia para sistemas elétricos 3.2-‐Aplicações correntes do armazenamento de energia 3.3-‐Aplicações de armazenamento de energia em sistemas elétricos de potência 3.4-‐Valoração do armazenamento para o sistema elétrico 3.5-‐ Armazenamento de energia e energia renovável 3.6-‐Armazenamento no sistema com alta penetração de energias renováveis 3.7-‐Armazenamento de energia para aplicação em transportes 4-‐ Baterias para aplicações em sistemas elétricos 5-‐ Baterias para aplicações em transporte elétrico 6-‐ Hidrogênio 7-‐ Armazenamento de energia com ar comprimido 8-‐ Capacitores eletroquímicos 9-‐ Usinas Reversíveis (armazenamento através bombeamento de água) 10-‐Armazenamento através de volantes (flywheels) 11-‐ Armazenamento de energia térmica para edifícios 12-‐ Armazenamento para energia solar 13-‐Armazenamento de energia com supercondutores magnéticos 14-‐ Comparação sumária das tecnologias de armazenamento de energia 2 Referências: -‐ Energy Storage for Power Grids and Electric Transportation: A Technology Assessment -‐ Congressional Research Service – March, 27/2012 Geni-‐ Global Energy NetworK technologies & Their Role in Renewable Integration –jul/2012 -‐Energy Storage U.S.A – Concept Devevelopment to Commercialization New Energy Storage Technology – NEST – jun/ 2014 3 1-‐Apresentação Este texto foi extraído de alguns tópicos isolados, integrantes de publicações norte-‐
americanas, referentes ao atual “estado da arte” das tecnologias de armazenamento de energia, utilizadas em diversos países do mundo, principalmente da União Europeia, Ásia e Estados Unidos. Estas publicações estão nominadas nas referências apresentadas após o índice do documento. Registra-‐se que uma destas referências, “Energy Storage for Power Grids and Electric Transportation: A Technology Assessment” , consta de um documento elaborado pelo Setor de Politicas de Energia e Infraestrutura do Congresso Americano, datado de 27 de março de 2012. O objetivo desta compilação é apresentar aos interessados, de forma bem sumária, algumas informações básicas gerais das tecnologias de armazenamento de energia atualmente disponíveis e já utilizadas mundialmente, suas aplicações, limitações e outras características gerais inerentes a cada uma delas. Algumas tabelas e imagens foram diretamente extraídas das publicações referenciadas, em sua forma original, encontrando-‐se portanto em inglês. O texto a seguir indica as fontes de onde foram extraídas. 4 2 – Introdução A tecnologia de armazenamento de energia representa um enorme potencial para otimizar sistemas elétricos, permitir crescimento da geração de energia renovável e propiciar alternativas para o setor de transporte que utiliza combustíveis fosseis. No que se refere aos sistemas elétricos esta tecnologia tem condições de aumentar a eficiência e confiabilidade do sistema, otimizando fluxos de potencia e suportando as variações provenientes do suprimento de geração a partir de usinas eólicas e solares. No que se refere a transporte a tecnologia de armazenamento tem possibilidade de substituir veículos movidos à gasolina e óleo diesel por veículos movidos por baterias elétricas, reduzindo a emissão de gases resultantes e consequentemente a demanda por petróleo. Esta tecnologia é bem recente e nos últimos anos vem despertando enorme interesse dos setores de energia em todo o mundo. Compreender inteiramente o potencial do armazenamento de energia para aplicações elétricas é relativamente complexo pelas razões a seguir. Inicialmente, porque existem diversas tecnologias comercialmente disponíveis, em desenvolvimento ou sendo pesquisadas. Considerando que são diferentes entre si é difícil estabelecer comparações das capacidades de cada uma, seus custos e vantagens das diversas opções. Em segundo lugar porque existem múltiplas aplicações da tecnologia com diferentes requisitos operacionais. Determinada tecnologia poderia ser usada para determinada aplicação melhor do que as demais. Finalmente, porque existem muitos aspectos da estrutura de mercado de energia e de economia que necessitam ainda serem bem equacionados no Brasil. Não obstante, procura-‐se obter um consenso de que esta tecnologia de armazenamento de energia é importante e pode ser ainda muito otimizada. Para propósitos de entendimento e comparação apresenta-‐se a seguir as diversas tecnologias de armazenamento de energia sob dois aspectos principais: sistemas elétricos e transporte, inclusive as duas categorias gerais de aplicação, baseadas no período de tempo que o dispositivo de armazenamento seja necessário. ( alta potencia / rápida descarga e gerenciamento de energia). 2.1-‐Aplicações das Tecnologias de Armazenamento de Energia A tabela a seguir apresenta as aplicações das tecnologias de armazenamento de energia tanto para Sistemas Elétricos como para Transporte Eletrificado de acordo com suas características: 5 Fonte: Energy Storage for Power Grids and Eletric Transportation-‐ Congressional Service-‐ march,27, 2012 2.2 -‐ Armazenamento de Energia para Aplicações em Sistemas Elétricos É possível dividir as aplicações de armazenamento para sistemas elétricos em 2 categorias básicas, de acordo com o período de tempo em que o dispositivo de armazenamento seja necessário: (1) aplicações em alta potencia na qual o dispositivo deve responder rapidamente e estar apto a descarregar somente em curtos períodos de tempo (até cerca de 1 hora) e, (2) aplicações referentes a gerenciamento de energia nas quais o dispositivo pode responder mais lentamente, mas, entretanto, descarregar durante varias horas. Fundamentalmente todos os dispositivos de armazenamento de energia estariam aptos a realizar suas finalidades, mas algumas tecnologias estão restritas a operar somente em períodos de curta duração. De qualquer modo tais dispositivos são de muito valor para os sistemas elétricos, inclusive aqueles que poderiam operar por curta duração, também propiciando benefícios consideráveis. 2.3-‐ Aplicações para Alta Potencia e Rápida Descarga A categoria de resposta rápida também pode ser dividida em subcategorias, a saber, descarga de curta duração – inferior a 01 minuto, utilizada para prover estabilidade ao sistema e qualidade de energia e, descarga de maior duração – até cerca de 1 hora. Outro tipo de aplicação desta tecnologia requer dispositivos com até 01 hora para descarga, provendo serviços tais como regulação de frequência (respondendo à erraticidade e rápidas variações de demanda) e reservas de contingencia (respondendo rapidamente a uma falha de geração ou da transmissão). Dispositivos de armazenamento com maior período de descarga suportam também a integração de energias renováveis, provendo os requisitos incrementais em períodos inferiores à 01 hora os quais irão 6 aumentando à medida que a geração de maiores valores de energia de fontes variáveis forem sendo adicionados ao sistema elétrico. Volantes têm sido utilizados em demonstrações provendo regulação de frequência. Diversos tipos de baterias também têm sido utilizados tanto para regulação de frequência como suprimento de reserva. Estas 2 ultimas tecnologias de rápida resposta têm ocupado importância crescente no mercado, notadamente nos EE. UU, para regulação de frequência e aferição da capacidade de resposta do sistema. 2.4-‐Aplicações quanto ao Gerenciamento de Energia Dispositivos para gerenciamento de energia em sistemas elétricos podem prover descarga continua durante varias horas. Estes dispositivos seriam potencialmente muito uteis em deslocar a energia durante períodos de baixa demanda (ou elevado suprimento de energia renovável-‐ eólica e solar) para períodos de alta demanda (ou baixo suprimento de energia renovável). Muitos deles podem também prover os mesmos serviços dos dispositivos de alta potencia / rápida descarga. Usinas Reversíveis é a tecnologia dominante desta categoria com cerca de 22 Gigawatts operando durante décadas somente nos EE.UU. Estas usinas são altamente confiáveis, têm alta eficiência e longa vida útil, mas, por outro lado, requerem condições geológicas adequadas no local de implantação e maior tempo de maturação para projeto / implantação ( cerca de 4 a 7 anos). A tecnologia de Armazenamento de energia com ar comprimido está tecnicamente amadurecida nos EE.UU sendo frequentemente considerada como a opção de menor custo para o armazenamento de eletricidade. Trata-‐se de uma tecnologia hibrida que utiliza gás natural e que usualmente requer uma grande formação rochosa subterrânea com determinadas características para armazenamento do ar comprimido. Os maiores esforços para desenvolvimento desta tecnologia nos EE.UU vêm sendo utilizados em rochas de origem salina. Outras pesquisas semelhantes em desenvolvimento não requerem gás natural como combustível. Armazenamento via Hidrogênio e outros combustíveis derivados de eletricidade constituem opções possíveis com a vantagem de armazenamento de longo período. Estas estão geralmente entre as tecnologias menos eficientes (abaixo de 50%) e mais onerosas existentes no mercado e necessitam ainda de melhor desenvolvimento. Estão em curso pesquisas e esforços para reduzir seu custo e aumentar a durabilidade dos eletrolizadores e das células de combustível. Muitas das pesquisas com hidrogênio têm sido orientadas como alternativa de combustível para transporte. A multinacional alemã Siemens AG está desenvolvendo um novo programa que se propõe a gerar gás de hidrogénio – ou H2 – a partir de energia elétrica com origem renovável (eletrolizadores) que seria de outro modo desperdiçada. A referida iniciativa, baseada em inovadoras unidades industriais de eletrólise a serem instaladas em vários pontos da Alemanha, poderá auxiliar este país a atingir as suas metas de produção de renováveis a médio e longo prazo ( otimizando e firmando a geração eólica). 7 Quanto à tecnologia de armazenamento por baterias dois tipos sobressaem-‐se para aplicações em sistemas elétricos. Baterias de fluxo liquido de eletrolito e baterias de alta temperatura. Baterias com alta temperatura de sodio-‐enxofre estão mais desenvolvidas e já comercialmente disponiveis com mais de 270 Mw existentes no mundo, incluindo os EE. UU.Têm a vantagem de utilizar materiais abundantes embora os custos de fabricação ainda limitem sua utilização em grande escala. O tipo de bateria com sodio-‐enxofre é o unico disponivel em grande escala, fabricada por uma unica empresa do Japão. Existem atualmente alternativas para baterias de alta temperatura e utilização em grande escala, sendo pesquisadas em diferentes estágios em indústrias de diversos paises. As baterias de fluxo encontram-‐se ainda em fase de pesquisa, utilizando tecnologias com vanadio e zinco-‐bromo. Tecnologia de armazenamento de energia térmica é usualmente negligenciada como opção convencional de armazenamento de energia porque não acumula e descarrega eletricidade diretamente. Entretanto, em determinadas aplicações o armazenamento termal pode ser equivalente ao armazenamento de eletricidade, com eficiências de até 90% ou mais, superiores à maioria das demais tecnologias. Existem 2 aplicações principais desta tecnologia. A primeira consiste no armazenamento da energia solar a qual é posteriormente convertida em eletricidade. A principal limitação é que esta tecnologia está ligada a uma aplicação específica, neste caso à energia proveniente de fonte solar que ainda apresenta desafios com alto custo e locações geográficas especificas. A segunda aplicação da tecnologia de armazenamento termal consiste no armazenamento do frio e calor para edifícios. O armazenamento do frio destina-‐se a reduzir e demanda de pico dos condicionadores de ar e tem sido utilizada em grande escala nos EE.UU. 2.5-‐-‐Armazenamento de energia para aplicação em transportes Juntamente com o armazenamento de energia para sistemas elétricos utiliza-‐se também esta tecnologia para aplicação em transportes. Neste caso, as aplicações são divididas em 2 categorias: alta potencia / rápida descarga e alta energia / descarga estendida. A primeira categoria provê curta e rápida descarga para ligar e acelerar veículos; embora não possa prover descarga continua para transporte eletrificado ela pode melhorar enormemente a eficiência do combustível. As aplicações incluem baterias de ion-‐litio e níquel em meio aquoso. Para aplicações com maior volume de energia na qual a energia armazenada é utilizada para implementar a energia suprida, os esforços das pesquisas estão concentrados em 2 tecnologias: hidrogênio e baterias. Quanto ao hidrogênio os desafios ainda são grandes e as pesquisas estão em desenvolvimento. A principal alternativa para usar a eletricidade como combustível em transportes está na bateria de ion-‐litio já utilizada em veículos híbridos de montadoras como Nissan e Chevrolet. Os esforços atuais concentram-‐se na redução de custo das baterias e melhoria de sua performance. 8 3-‐ Visão Geral das Tecnologias de Armazenamento de Energia – Aplicações e Benefícios 3.1-‐Armazenamento de Energia para Sistemas Elétricos Diversos dispositivos têm há muito tempo interessado os meios técnicos para a tecnologia de armazenamento de energia devido a sua característica de manter a boa operacionalidade dos sistemas elétricos de potencia. Historicamente, uma das características mais importantes do armazenamento para o sistema elétrico é a “estabilização da carga”, ou seja, estocar eletricidade durante os períodos de baixa demanda para libera-‐la posteriormente durante os períodos de maior demanda, permitindo a menor utilização da geração de maior custo dos períodos de alta demanda. Estes dispositivos tem sido muito utilizados para auxiliar o sistema a suportar a entrada da geração de fonte renovável, de característica variável, provenientes das usinas eólicas e solares. Recentemente outros dispositivos têm operado provendo uma alternativa parcial para a otimização do próprio sistema elétrico usando as características inerentes do sistema para a melhoria da infra estrutura já estabelecida evitando a transferência de carga ou a construção de novas linhas de transmissão. Outra função ainda do armazenamento inclui apoio técnico para os serviços auxiliares com ações para efetivar uma transação de energia (programação), serviços necessários para manter a integridade do sistema elétrico e serviços necessários para corrigir os efeitos resultantes do compromisso de uma transação de energia (equilíbrio do suprimento e demanda). 3.2-‐ Aplicações Correntes do Armazenamento de Energia Existem atualmente nos EE.UU 22 GW de usinas de armazenamento de energia que representam 2 % do total existente de potencia instalada. Quase toda esta capacidade encontra-‐se sob forma de usinas reversíveis (usinas de armazenamento por bombeamento de agua) que operam bombeando água desde um reservatório em nível inferior até um reservatório em nível superior, liberando posteriormente a agua armazenada através de um gerador hidroelétrico quando a eletricidade é necessária. Embora estas instalações existam nos EE.UU desde 1920, a maior parte foi iniciada e concluída a partir de 1970. A partir desta época houve um significativo incremento na pesquisa e desenvolvimento de outras tecnologias de armazenamento, incluindo diversos tipos de baterias, capacitores, volantes, ar-‐ comprimido, usinas reversíveis subterrâneas e armazenamento através de supercondutores magnéticos. Estas tecnologias foram, entretanto, deixadas gradativamente à margem a partir de 1980, nos EE.UU, com a drástica redução do preço do gás natural, com o desenvolvimento das turbinas a gás e a redução de uso de combustível fóssil industrial. Outras dificuldades de natureza técnica, de mercado e ou regulatórias limitaram naquela época os usos das tecnologias de armazenamento de energia naquele país. 9 3.3-‐-‐Aplicações de armazenamento de energia em sistemas elétricos de potencia Como mencionado anteriormente, o armazenamento de energia pode ser utilizado de diversas formas para a otimização de sistemas elétricos. A partir de 2010 listaram-‐se nos EE.UU 17 aplicações distintas e 26 benefícios associados a partir do armazenamento de energia, conforme tabela a seguir. Fonte: Energy Storage for Power Grids and Eletric Transportation-‐ Congressional Service-‐ March 27, 2012 10 As aplicações desta tabela podem ser divididas em 2 categorias principais, baseadas no período de tempo em que o dispositivo de armazenamento é requerido para entrar em funcionamento, de vez que o período para descarga da energia é uma característica fundamental que diferencia a maioria das tecnologias de armazenamento. A primeira categoria é o “armazenamento de alta potencia ou rápida descarga” na qual a descarga está apta a ser feita por períodos de até 01 hora. A segunda categoria é o “gerenciamento de energia” na qual o dispositivo está apto para descarregar por diversas horas e até mais. Algumas aplicações apresentadas na tabela podem utilizar estas duas categorias, dependendo do tipo de instalação. Entretanto, todas oferecem uma base valida para comparação das tecnologias mostradas. 3.4-‐ Valoração do armazenamento para o sistema elétrico Cada aplicação de armazenamento de energia para o sistema elétrico oferece benefícios distintos. Um dos desafios das tecnologias de armazenamento consiste na valoração adequada destes benefícios especialmente quando propiciam diferentes serviços em conjunto. Por exemplo, algumas tecnologias podem propiciar estabilização da carga (inclusive benefícios associados como ciclos menores de manutenção programada, regulação, reserva de contingência e capacidade firme.) Historicamente tem sido difícil quantificar valores destes vários benefícios sem o auxilio de sofisticados modelos e métodos de simulação. Atualmente o mercado já conseguiu identificar custos relacionados à vida útil como se segue: Fonte: Energy Storage for Power Grids and Eletric Transportation-‐ Congressional Service-‐ March 27, 2012 11 Embora existam variações significativas e incertezas nos custos, a maioria dos benefícios do armazenamento de energia indica que poucas tecnologias disponíveis são desenvolvidas por menos de US$1000,00/Kw . Em termos de comparação a figura acima sumariza valores para ciclos de vida de diversas aplicações destas tecnologias, estimados em diversos estudos e diferentes locais. O valor do ciclo de vida e seus beneficios serve como um indicador do capital necessário para que o armazenamento seja considerado viável para cada tecnologia. 3.5-‐ Armazenamento de Energia e Energia Renovável Fontes de energia renovável tais como geração eólica e solar, criam oportunidades adicionais para a utilização de armazenamento devido à variabilidade e incerteza quanto à eletricidade que elas produzem. Considerando que a geração destas fontes pode ser adicionada ao sistema elétrico, este pode vir a sofrer uma serie de impactos operacionais nocivos os quais podem ser mitigados com a utilização das tecnologias de armazenamento. Requisitos de regulação de frequência – a geração de energia renovável pode acarretar em curtos espaços de tempo (segundos a minutos) variações na frequência elétrica a qual deve ser mantida tão próxima quanto possível de 60 ciclos por segundo (hertz) para a operação confiável do sistema. Requisitos de carga transportada -‐ a geração de energia renovável adiciona incrementos aos requisitos horários para suprimento de geração ao sistema elétrico aumentando a manutenção dos geradores convencionais. Incerteza da carga Liquida – A disponibilidade dos ventos é menos previsível do que a variação da carga elétrica ou a disponibilidade dos geradores convencionais. Esta incerteza pode elevar o custo de operação do sistema, pois poderia resultar numa muito grande ou muito baixa utilização dos geradores disponíveis para responder às variações da carga liquida, uma vez adicionado o incremento da carga eólica ao sistema. Amplitude de incremento e restrições – Energia renovável amplia a diferença entre a demanda diária, máxima e mínima, (inclusive uma efetiva redução da carga mínima) a qual pode forçar os geradores convencionais a reduzir a sua carga de saída. Em alguns casos esta diferença pode forçar as unidades geradoras que estariam operando continuamente a cortar o ciclo durante períodos de alto incremento de carga eólica ou então pode forçar os geradores eólicos a restringir potencia, desperdiçando geração de energia renovável. Requisitos de Transmissão – Algumas fontes de energia renovável como ventos e energia solar remotamente localizadas requerem novas linhas de transmissão para conexão ao sistema. Estas linhas são onerosas e sua utilização em longas distancias para energia eólica ou solar é limitada pelo relativamente baixo fator de carga destas fontes. O armazenamento de energia nestes casos poderia auxiliar o suprimento de carga bem como reduzir as restrições da geração eólica devido aos condicionamentos de transmissão. 12 3.6-‐Armazenamento no Sistema com Alta Penetração de Energias Renováveis Possivelmente a aplicação mais válida do armazenamento de energia no sistema elétrico ocorre quando há alta penetração de energias de fontes renováveis Estudos recentes avaliaram que até 30% de penetração (com base em energia) de fontes renováveis no sistema seria provavelmente viável sem a necessidade de armazenamento de energia para manter a confiabilidade do sistema. Entretanto, parecem existir limites econômicos entre alta penetração de fontes renováveis com os padrões de demanda de eletricidade. Alta penetração de geração solar ou eólica pode exceder a demanda de eletricidade, resultando em geração restritiva e dificultando a economicidade desta utilização. Este problema é aumentado devido às alterações de ciclagem e limites operacionais dos geradores convencionais cuja maioria deve permanecer operando afim de suprir reserva operativa ou então estarem disponíveis quando a penetração de fontes renováveis for insuficiente para atender a demanda. 3.7-‐Armazenamento de Energia para Aplicação em Transportes O proposito básico da eletrificação dos transportes é reduzir a dependência por petróleo o qual é utilizado na obtenção de combustíveis pela maioria das nações, reduzindo também a emissão de gases nocivos ao meio ambiente. Existem 2 sistemas de armazenamento de energia para uso em veículos elétricos (EV). O primeiro consiste em migrar dos combustíveis derivados de petróleo para um dos diversos combustíveis derivados de eletricidade, sejam gasosos ou líquidos, com o hidrogênio recebendo a maior atenção nos últimos anos. Estes combustíveis alternativos podem ser produzidos usando a eletricidade (por exemplo, dividindo os átomos de hidrogênio e do oxigênio, em determinado local ou próximo ao local de utilização). Eles podem ser queimados em um veiculo usando motor de combustão interna modificada (IC) e uma unidade de tração convencional. Estes combustíveis podem também serem queimados num veiculo com configuração de motor elétrico de tração convencional (hibrido-‐elétrico-‐ HEV) ou numa configuração de veiculo elétrico de célula de combustível (FCEV). O segundo sistema de transporte eletrificado é o armazenamento de eletricidade a bordo do veiculo. O sistema pode ser veiculo movido com uma bateria elétrica (BEV) ou um veiculo que utilize conjuntamente, eletricidade armazenada e um (IC) ou motor com célula de combustível, tipicamente referidos como veículos elétricos híbridos “plug in” (PHEV). 13 Fonte: Energy Storage for Power Grids and Eletric Transportation-‐ Congressional Service-‐ March 27, 2012 14 4-‐ Baterias para Aplicações em Sistemas Elétricos Baterias são dispositivos que armazenam energia quimicamente. Este trabalho foca em baterias secundárias que devem ser carregadas antes de uso podendo ser carregadas e descarregadas posteriormente, (ciclos) muitas vezes antes do término de sua vida útil. Para aplicações em sistemas elétricos existem 4 tipos de baterias que são de interesse: -‐ chumbo-‐acido -‐alta temperatura “sódio-‐beta” -‐ baterias de fluxo de eletrólito liquido -‐ Outras químicas emergentes Baterias de chumbo acido têm sido usadas há mais de um século em aplicações para sistemas elétricos e em veículos convencionais para partida, iluminação e ignição. Continua sendo a mais procurada para veículos devido ao baixo custo. São fabricadas em larga escala e em 2010 foram exportadas pelos EE.UU cerca de 120 milhões destas baterias para o restante do mundo. Seu uso para aplicações em sistemas elétricos é limitado pelo relativamente curto ciclo de vida útil. Esforços tem sido feitos no sentido de aumentar este ciclo de vida útil e possibilitar sua maior aplicação. Baterias de sódio-‐beta nas quais o eletrólito liquido flui através de uma célula química produzindo eletricidade encontram-‐se nos estágios iniciais de comercialização. Nas aplicações para sistemas elétricos existem 2 tipos de utilização destas baterias: vanádio redox e de brometo de zinco. Existem pesquisas e ou já estão em desenvolvimento baterias utilizando outros tipos de processos químicos, mas estão menos desenvolvidos. Complementando esses 3 tipos de baterias estão também em desenvolvimento outros tipos de baterias químicas baseados em processos emergentes que poderão vir a ter usos em sistemas elétricos. Vantagens e desvantagens destas baterias: Fonte: GENI-‐Global Energy Network Technologies& Their Role in Renewable Integration-‐ jul. 2012 15 Situação Atual Existem atualmente diversos processos químicos utilizados em baterias, em vários estágios de desenvolvimento e comercialização. Diversos deles já demonstraram serem competitivos e econômicos ou próximos da economicidade para aplicação em sistemas elétricos. A rápida resposta das baterias as torna bem adequadas para aplicação em serviços auxiliares tais como regulação de frequência, embora necessitem demonstrar longa duração e vida útil o que representa ainda um desafio para muitas das tecnologias disponíveis para baterias. As baterias deverão competir com outras tecnologias comercializáveis como os volantes (flywheels) para utilização de curta duração em serviços auxiliares. Para aplicações de longa duração a redução de custo é o principal requisito. Não surgiu ainda uma única tecnologia para baterias para ocupar a liderança de mercado nas diversas aplicações potenciais em sistemas elétricos. As pesquisas em andamento certamente melhorarão a performance técnica e reduzirão os custos para as diversas tecnologias em pesquisa; por outro lado a engenharia e as técnicas de fabricação também deverão reduzir seus custos e elevar a confiabilidade dos muitos tipos de baterias em desenvolvimento. 16 5-‐ Baterias para Transporte Elétrico Este ítem apresenta as tecnologias de baterias com o maior potencial para uso em transporte elétrico. Comparadas àquelas voltadas para aplicação em sistemas elétricos, as baterias para veículos elétricos necessitam ter densidade de energia mais alta, armazenando mais energia para determinado peso ou volume e podem ser mais leves, oferecendo maior autonomia para o veiculo. Devido ao fato deste tipo de baterias ser também usado em aplicações para sistemas elétricos, a diferença entre elas não é muito rígida, mas, entretanto, apresentam entre si características significativas em suas especificações e fabricação. As aplicações para veículos consideram 4 tipos de interesse: -‐ Niquel-‐ base aquosa -‐ Litio-‐ion -‐Litio metal -‐Metal ar Niquel-‐ cadmio e níquel-‐metal hibrido são os tipos principais de bateria de níquel – base aquosa (eletrólito liquido). As de níquel-‐cadmio são de emprego desafiante devido ao custo e toxidade do cadmio (já grandemente banidas da União Europeia) e não são consideradas uma tecnologia viável para utilização para grande escala em veículos. Baterias de Niquel-‐metal hibrido são utilizadas extensamente em veículos elétricos híbridos. Nestas aplicações o seu uso destina-‐se principalmente à partida e aceleração. Entretanto, devido à baixa densidade de energia comparada às de lítio-‐ion e outras tecnologias emergentes é pouco provável que se veja sua utilização em larga escala para veículos elétricos híbridos (plug in). Entretanto, os custos inferiores e a avançada segurança das baterias de sódio-‐ion impacta significativamente o setor de transporte, podendo ainda ter aplicação para os sistemas elétricos. Apresenta-‐se a seguir as vantagens /desvantagens destas baterias: Fonte: GENI-‐Global Energy Network Technologies& Their Role in Reneable Integration-‐ jul, 2012 17 Fonte: GENI-‐Global Energy Network Technologies& Their Role in Renewable Integration-‐ jul, 2012 Situação Atual Baterias constituem excelente potencial como opção para o setor de transporte eletrificado. O custo reduzido das baterias pode produzir veículos elétricos com ciclo de vida inferior àqueles dos veículos utilizando combustíveis fosseis, dependendo é claro dos preços da gasolina. Entretanto seu potencial de uso será melhor alcançado através da redução de custos das matérias primas, na engenharia buscando melhor formato das baterias inclusive dos padrões otimizados de segurança bem como de sua duração. Pesquisas em andamento voltadas para as deficiências da tecnologia de sódio-‐ion bem como de tipos avançados de baterias poderão certamente ainda alcançar uma melhor performance para as mesmas. 18 6-‐ Hidrogênio Hidrogênio é um alto condutor de energia que pode ser usado em armazenamento de energia para uso em veículos ou sistemas elétricos. O sistema de armazenamento de energia a partir de hidrogênio é composto de uma serie de componentes cuja configuração especifica depende da aplicação; geralmente consiste da produção de hidrogênio ( eletrolise), transmissão e armazenamento e conversão do hidrogênio em eletricidade ( via célula de combustível ou processo de combustão). Usualmente o hidrogênio tem sido utilizado em sistemas de células de combustível que têm maior eficiência do que os motores de combustão tradicionais. As células de combustível convertem hidrogênio e oxigênio em eletricidade através de processo eletroquímico resultando em água e calor como produtos utilizáveis. Os principais obstáculos para seu largo emprego em veículos são a durabilidade das células, armazenamento suficiente a bordo e infraestrutura para recarregamento. Para os sistemas elétricos os obstáculos para armazenamento de hidrogênio são o custo inicial e baixa eficiência (bem abaixo de 50%) comparado com outras formas de armazenamento de energia comercialmente disponíveis. Situação Atual Sistemas usando hidrogênio são diferentes das outras formas de sistemas de armazenamento, pois têm a habilidade de servir aos mercados, tanto de sistemas elétricos como de transporte. Entretanto o armazenamento de hidrogênio ainda encontra uma serie de desafios técnicos e econômicos para tornar-‐se competitivo. Sistemas de hidrogênio eletrolítico são usualmente mais onerosos e de menor eficiência do que diversas tecnologias de armazenamento de energia disponíveis comercialmente para aplicações em sistemas elétricos. Para transporte esta tecnologia encontra também desafios de custo, durabilidade e falta de infraestrutura de recarregamento. Muitas tecnologias a base de hidrogênio, particularmente as células de combustível estão ainda no estagio inicial de comercialização e requererão futuramente considerável redução de custo, para alcançar uso econômico em grande escala. Existem nichos de mercado nos EE.UU tais como para uso de empilhadoras em armazéns e depósitos e em pequena produção de energia de reserva para sites de telecomunicações que estão mantendo o avanço desta tecnologia e obtendo menores custos das unidades à medida que a procura tem aumentado. 19 7-‐Armazenamento de Energia com Ar Comprimido O sistema de armazenamento de energia com ar comprimido está comercialmente disponível, tem larga escala e pode armazenar grande quantidade de eletricidade através de uma tecnologia que utiliza o ar comprimido como agente intermediário de armazenamento. Grandes volumes de ar comprimido podem ser armazenados em formações geológicas tais como formações salinas ou aquíferos salinos subterrâneos e selados. Em um processo adiabático convencional (em que há troca de calor) o gás comprimido armazenado é liberado através de uma turbina a gás modificada, requerendo o uso de gás natural, tornando esta tecnologia um hibrido de armazenamento/geração. Este sistema é considerado o de menor custo dentre todas as tecnologias de armazenamento de eletricidade. A usina inicial desta tecnologia foi construída em 1978 na Alemanha com 290 Mw e 2 horas de capacidade operacional. A segunda foi construída nos EE.UU em 1991 e produz 110 Mw em 26 horas de operação. Esta tecnologia pode ser modulada desde diversas centenas de megawatts até mesmo gigawats. Pode prover armazenamento de longa duração e operação eficiente para uma grande variedade de condições operativas. Tais características tornam a tecnologia benéfica em varias circunstancias e apta a prover inúmeros serviços tais como reserva operativa, suprimento de carga, geralmente mitigando os impactos decorrentes das variações de carga devido às gerações das diversas fontes que entram no sistema. Fonte: Energy Storage for Power Grids and Eletric Transportation-‐ Congressional Service-‐ March 27, 2012 O processo está submetido a uma serie de critérios associados à utilização de formações geológicas subterrâneas. Sem um estudo geológico criterioso de viabilidade da adequação da geologia para esta finalidade seria muito difícil obter a exequibilidade e os limites para o desenvolvimento do processo. Diversos destes projetos estão em varias etapas de desenvolvimento e seus empreendedores têm manifestado interesse em explorar a 20 possibilidade de desenvolver outros novos projetos. A seguir apresenta-‐se o esquema básico deste tipo de usina: Fonte: GENI-‐Global Energy Network Technologies& Their Role in Renewable Integration-‐ jul, 2012 Vantagens e Desvantagens: Fonte: GENI-‐Global Energy Network Technologies& Their Role in Renewable Integration-‐ jul, 2012 21 Situação Atual Armazenamento de eletricidade com ar comprimido tem provavelmente o mais baixo custo dentre as tecnologias disponíveis para larga escala. Seu uso não é limitado por matérias primas, duração ou vida útil e pode prover inúmeros serviços para os sistemas elétricos. As suas características operacionais e benefícios resultantes sugerem que seria uma adição valiosa para a matriz de geração e uma importante fonte de flexibilidade para as flutuações advindas da penetração de fonte de energia renovável no sistema elétrico. O principal obstáculo para seu desenvolvimento é a indicação de formações rochosas subterrâneas capazes de armazenar o gás comprimido incluindo rochas salinas, aquíferos e depósitos de gás já esgotados. Embora os dados disponíveis sugiram que esta tecnologia poderia alcançar e exceder dezenas de gigawatts, analises adicionais devem ser feitas para melhor entendimento dos limites geológicos para o completo desenvolvimento do processo. Adicionalmente pesquisas adicionais serão muito uteis para identificar as configurações desta tecnologia que possam reduzir o uso de combustível, melhorar a performance e usar equipamentos padronizados. 22 8-‐ Capacitores Eletroquímicos Capacitores eletroquímicos, incluindo supercapacitores e ultracapacitores são dispositivos que armazenam a energia em um campo elétrico na superfície de um eletrodo. Diferentemente dos capacitores eletrostáticos tradicionais estes capacitores usam um eletrólito carreando ions entre 2 eletrodos de forma semelhante às baterias. Capacitores estão entre os processos que têm a resposta mais rápida dentre os dispositivos de armazenamento de eletricidade e são tipicamente usados em aplicações de maior qualidade de energia tais como aquelas que provêm estabilidade para a voltagem transiente. Entretanto, sua baixa capacidade de energia restringe seu uso para aplicações de curto período com pulsos inferiores a 40 segundos. Capacitores são comumente utilizados no backup de memoria de computadores nos períodos de breves interrupções de energia. Entretanto a principal meta dos capacitores consiste em atuar como um sistema de armazenamento de energia para veículos elétricos híbridos com requisitos de baixa a moderada necessidade de eletricidade. Comparados às baterias os capacitores têm excelente vida útil sendo bem aplicados para uso em ônibus e trens. O foco de sua pesquisa em andamento é aumentar a densidade de energia possibilitando sua utilização para sistemas elétricos e veículos elétricos em geral. Situação Atual No futuro mais próximo os capacitores eletroquímicos estarão limitados em aplicações de descarga rápida para transportes e sistemas elétricos. Atualmente têm maior uso tanto para transportes como para sistemas elétricos onde a descarga é medida em segundos. A baixa densidade de energia e o alto custo por unidade de energia armazenada torna os capacitores não competitivos para aplicações onde os tempos de descarga são requeridos em minutos ou acima disto. A densidade de energia necessitará ser ainda aumentada para que possam competir com as baterias em armazenamento de energia para transportes. São usados no nicho de trens e ônibus, requerendo alta potencia, baixa temperatura e ou longa vida útil. Estes mercados iniciais contribuem para reduzir o custo de fabricação destes capacitores. 23 9-‐ Usinas Reversíveis (Armazenamento através bombeamento de agua) Através de bombeamento de água as usinas reversíveis armazenam a energia através do bombeamento de um reservatório inferior (exemplo: lago ou rio) para um reservatório superior através de um túnel subterrâneo ou duto externo. Durante os períodos de alta demanda de eletricidade a agua é liberada para o reservatório inferior, acionando turbinas para gerar eletricidade de maneira similar às hidroelétricas. Muitas usinas reversíveis armazenam energia durante 8 ou mais horas tornando-‐as muito uteis para ajustes de carga e capacidade. Podem também atuar rapidamente para suprimento de carga e ajustes de serviços auxiliares incluindo contingencia para reserva girante e regulação de frequência. Esta é a única tecnologia de armazenamento de energia desenvolvida mundialmente em escala de gigawatt. Nos EE.UU desenvolveram-‐se 22 Gw em 39 locais enquanto a capacidade mundial é superior a 127 Gw ;aquelas dos EE.UU foram construídas entre 1970 e 1980 em resposta às condições de mercado naquela época. Não houve neste pais grande desenvolvimento destas usinas a partir de 1995 embora tenha continuado na Europa e Ásia. A falta de desenvolvimento deste processo nos EE. UU nesta época pode ser atribuído a uma serie de fatores, incluindo a disponibilidade de gás natural a baixo custo e também a um aumento das normativas regulatórias, de meio ambiente e dos desafios inerentes aos próprios locais de implantação. Embora a capacidade norte-‐americana tenha ficado relativamente estática nos últimos 15 anos, os empreendedores têm demonstrado um interesse renovado na construção deste tipo de armazenamento naquele pais. A partir de 2011 foram emitidas licenças para construção de 45 novas usinas totalizando cerca de 35 Gw. A capacidade das plantas propostas, incluindo aquelas com licenças já emitidas e com permissões preliminares ainda pendentes excede 45 Gw. Apresenta-‐se a seguir uma foto de usina deste tipo: 24 Fonte: Energy Storage for Power Grids and Eletric Transportation-‐ Congressional Service-‐ March 27, 2012 O total de energia armazenada numa usina reversível é o produto do volume d’água do reservatório superior pela altura entre os reservatórios superior e inferior. Locais para estas usinas requerem condições topográficas adequadas e são geralmente construídas em áreas remotas. Estas usinas podem frequentemente fazer uso de um rio ou lago ( veja-‐se a fotografia) evitando os custos de construção de um reservatório separado (usualmente inferior). Este é chamado “usina de ciclo aberto”. Em determinadas circunstancias quando não está disponível um curso d’água ou um lago para uso como um dos reservatórios devem ser construídos os 2 reservatórios. Este tipo é chamado “ ciclo fechado” porque apresenta mínima interação com rios ou lagos. Uma fonte de agua é entretanto necessária para a usina de ciclo fechado para permitir encher o reservatório e compensar as perdas durante a operação devido a infiltrações e evaporação. Rios próximos são fontes típicas; reservatórios municipais de agua tratada ou agua subterrânea (poços) podem também ser usados. Das 40 usinas americanas com permissões 25 preliminares já concedidas cerca de 9 são de circuito fechado, excedendo a 9 Gw de capacidade. A seguir uma foto de usina reversível subterrânea: Fonte: Energy Storage for Power Grids and Eletric Transportation-‐ Congressional Service-‐ March 27, 2012 Vantagens e Desvantagens: Fonte: GENI-‐Global Energy Network Technologies& Their Role in Renewable Integration-‐ jul, 2012 26 Situação Atual Usinas Reversíveis constituem a única tecnologia de alcance mundial, atualmente desenvolvida em escala de Gw. Existem utilizações nos EE.UU alcançando no mínimo dezenas de gigawatts, sem limitações de matérias primas, vida útil e com eficiências excedendo a 75%. O uso de tecnologias de velocidades variáveis melhorará a eficiência dos novos projetos. 27 10- Armazenamento através de Volantes (Flywheel)
Os volantes constituem a mais antiga forma de tecnologia de armazenamento de energia,
historicamente usada para facilitar a transferência de potencia em aplicações variando desde rodas de
moinho até motores alternativos. A tecnologia dos volantes avançou enormemente desde o ultimo
século, trazendo a tecnologia de grandes rodas de aço que giram de dezenas até centenas de
revoluções por minuto (rpm) até rotores de fibra de carbono ou resina de fibra de vidro que giram até
100.000 rpm atingindo velocidade supersônica em vácuo de baixa pressurização.
Estas inovações permitem aos volantes atingir alta potencia e alta densidade de energia, elevada
eficiência (> 80%), baixa perda friccional do coeficiente de arrasto (< 3% hora) e longo ciclo
operacional)aprox.. 20 anos) com baixos custos de operação e manutenção.
Volantes podem responder rapidamente como fonte para alteração da eletricidade tornando-os um
recurso valioso para regulação de frequência em sistemas elétricos. Os volantes são também a mais
rentável tecnologia de armazenamento para aplicações em alta potencia (rápida descarga) onde
competem diretamente com as baterias.
Entretanto são usualmente mais onerosos do que outras tecnologias de armazenamento e é pouco
provável que em futuro próximo possam competir com aplicações que requerem diversas horas de
armazenamento de energia.
São utilizados em nichos para aplicações em transportes, em automóveis, ônibus e trens, competindo
nestes mercados com as baterias e os capacitores. Seu avanço no mercado dependerá do avanço
tecnológico para cada campo de aplicação .As características de rápida carga e descarga dos
volantes bem como a habilidade de operar centenas de milhares de vezes com mínima degradação
em sua performance, torna estes dispositivos ideais para prover qualidade de potencia e regulação de
frequência para sistemas elétricos.
Outras aplicações incluem dispositivos de suprimento de potencia ininterrupta para
telecomunicações e recursos computacionais bem como redução do requisito da energia de pico de
motores. As pesquisas mais atuais de desenvolvimento estão focadas no aumento da densidade de
energia dos volantes para permitir descargas desde uma até varias horas que possibilitarão sejam os
mesmos usados em diversas outras aplicações tais como amortecimento de picos, suprimento e
gestão de carga. A seguir fotos de uma usina deste tipo e a seção interna de um volante:
Fonte: Energy Storage for Power Grids and Eletric Transportation-‐ Congressional Service-‐ March 27, 2012 28 Fonte: GENI-‐Global Energy Network Technologies& Their Role in Renewable Integration-‐ jul, 2012 Vantagens e Desvantagens:
Fonte: GENI-‐Global Energy Network Technologies& Their Role in Renewable Integration-‐ jul, 2012 Situação Atual
Diversos projetos em operação demonstram atualmente que os volantes são uma fonte competitiva
de regulação de frequência. A rápida resposta dos volantes e sua habilidade de girar/operar com
pequena ou nenhuma degradação de performance torna-os idealmente adequados para regulação de
frequência.
29 Entretanto eles competem com as baterias e os supercapacitores nestes mercados e sua
economicidade terá que prevalecer e manter-se dominante sobre aquelas tecnologias com o objetivo
de manter uma fatia de mercado.
Outros mercados potenciais para armazenamento de energia com volantes incluem transportes
(capturando a energia regenerativa de freios) e serviços auxiliares que conectam a regulação e
reservas de mercado e requerem descarga de maior duração.
A futura pesquisa e desenvolvimento certamente melhorarão a densidade de energia, reduzirão
perdas e os custos. Quanto a melhorias para a densidade de energia estas poderão ser atingidas com
os novos materiais e maiores diâmetros para o rotor. Os custos serão certamente reduzidos com a
aplicação destes novos materiais inclusive novos projetos de rotores, beneficiando-se da economia
de escala.
30 11-‐ Armazenamento de Energia Termica para Edificios Armazenamento de energia térmica para edificios é uma alternativa para a maioria das tecnologias de armazenamento de eletricidade sendo esta frequentemente posta à margem porque não armazena e descarrega eletricidade diretamente. Entretanto, em certas aplicações esta tecnologia funciona com eficiência superior a 90%. Ar Condicionado para edificios representa um componente significativo para sua aplicação abrangendo 10% das vendas de eletricidade. Esta tecnologia baseia-‐se um conceito simples: opera um sistema baseado em equipamento utilizando energia-‐refrigeração, operando durante a noite, criando e armazenando energia sob a forma de gelo ou agua gelada. A agua gelada é então utilizada como um reservatorio de “frio” durante o dia atendendendo às demandas do edifício, reduzindo a necessidade de refrigeração dos equipamentos de condicionamento de ar durante o dia, nos periodos de alto pico. A seguir mostra-‐se o esquema de funcionamento desta tecnologia: Fonte: Energy Storage for Power Grids and Eletric Transportation-‐ Congressional Service-‐ March 27, 2012 31 Situação Atual Como tecnologia, este tipo apresenta diversas vantagens sobre os outros dispositivos convencionais de armazenamento de eletricidade. Mais importante ainda, armazena energia mais frequentemente, de alta eficiência e pode ser empregada no local de uso, reduzindo a transmissão de energia a as perdas de distribuição. A desvantagem principal desta tecnologia é que a mesma destina-‐se somente para ar condicionado sendo portanto menos flexivel que as demais tecnologias de armazenamento de eletricidade. Este processo não está suficientemente maduro ou extensamente usado mas, entretanto, oferece potencial, particularmente durante os meses de verão. 32 12-‐ Armazenamento para Energia Solar Outra aplicação de armazenamento da energia térmica para aplicações em sistemas elétricos consiste em armazenar a energia de origem solar, convertendo-‐a em eletricidade. Esta tecnologia permite às usinas solares despachar potencia além das horas normais de operação de um dia ensolarado. Este sistema é funcionalmente semelhante a outras tecnologias para os sistemas eletricos pois permite que a carga total das horas de geração seja adicionada ou movida, provendo utilização crescente ( fator de capacidade) da usina, melhorando a capacidade firme, provendo eletricidade nas horas de maior valor comercial e reduzindo custos com a carga de energia. Apresenta-‐se a seguir a foto de uma usina solar e o esquema geral do processo: Fonte: Energy Storage for Power Grids and Eletric Transportation-‐ Congressional Service-‐ March 27, 2012 33 Fonte: Energy Storage for Power Grids and Eletric Transportation-‐ Congressional Service-‐ March 27, 2012 Situação Atual O armazenamento de energia solar é uma opção comercialmente disponível para uso em grande escala, apresentando alta eficiência comparativamente à maioria das demais tecnologias, não obstante, restrita a uma única aplicação com limitações geograficas significativas. Seu desenvolvimento depende da competitividade do equipamento para atingir grande escala.Entretanto, já existem possibilidades para melhorar a eficiência das usinas com redução do custo da energia gerada via dispositivos parabolicos/ altas temperaturas. Espera-‐se que as usinas em operação demonstrem futuramente boa confiabilidade e desempenho. A partir desta postura otimista de melhoria do desempenho desta tecnologia, esta continua sendo uma opção viável para reduzir a variabilidade e melhorar o despacho das usinas. 34 13-‐ Armazenamento de Energia com Supercondutores Magnéticos Estes dispositivos armazenam a energia sob a forma de campo magnético. Utilizando supercondutores as unidades atingem eficiência bem alta. Os materiais dos supercondutores caracterizam-‐se pelas temperaturas requeridas para atingir a supercondutividade, tanto baixas quanto altas. Supercondutores com baixas temperaturas requerem helio líquido, muito oneroso, e têm sido usados na maioria das demonstrações deste processo. Pesquisas recentes tem focado o desenvolvimento dos supercondutores com altas temperatuas que poderiam utilizar nitrogenio liquido, menos oneroso, reduzindo assim o custo total deste sistema comparativamente ao outro de baixas temperaturas, embora ainda sendo mais oneroso que outros sistemas de armazenamento com altas temperaturas. As unidades podem ser montadas em trailler e serem transferidas para setores do sistema eletrico onde seriam mais necessárias. Estes sistemas têm sido tambem usados em aplicações industriais para eliminar oscilações de voltagem na eletricidade fornecida revelando algumas vantagens sobre alternativas com baterias , capacitores e sistemas eletrônicos. Vantagens e Desvantagens: Fonte: GENI-‐Global Energy Network Technologies& Their Role in Reneable Integration-‐ jul, 2012 Situação Atual Os supercondutores são preferencialmente aplicações para qualidade de potencia, em mercados industriais. Os custos destes equipamentos estão principalmente nas bobinas e resfriadores criogênicos. Tais custos deverão ainda reduzir bastante para competir em regulação de frequencia e nos mercados de reserva. A pesquisa e desenvolvimento estão atualmente focadas nos supercondutores de altas temperaturas para aplicação tanto nas bobinas eletromagnéticas como no projeto e desempenho do resfriador criogenico. Os sistemas de baixa temperatura ainda permanecem entretanto como padrão de mercado. 35 14-‐Comparação Sumária Das Tecnologias de Armazenamento de Energia As comparações a seguir referem-‐se às eficiências, perdas de energia durante o processo, investimentos por Kwh e tempos de descarga. Registra-‐se que os custos ora apresentados não devem ser observados como absolutos, pois dizem respeito à experiência de outros países; consequentemente são mostrados apenas para uma avaliação comparativa aproximada dos custos envolvidos para algumas tecnologias objeto deste documento. Fonte: GENI-‐Global Energy Network Technologies& Their Role in Renewable Integration-‐ jul, 2012 36 Fonte: GENI-‐Global Energy Network Technologies& Their Role in Renewable Integration-‐ jul, 2012 Fonte: GENI-‐Global Energy Network Technologies& Their Role in Renewable Integration-‐ jul, 2012 37 Fonte: Energy Storage U.S.A – Concept Development to Commercialization-‐ New Energy Storage Technology – jul, 2012 38 Fonte: Energy Storage U.S.A – Concept Development to Commercialization-‐ New Energy Storage Technology – jul, 2012 39