Conhecimentos sobre armazenamento de energia a longo prazo
Índice
À medida que o processo de descarbonização do sistema de energia global acelera, a capacidade instalada e a proporção de energia de novas fontes de energia, como a energia eólica e a energia fotovoltaica, continuam a aumentar, e a procura de um suporte de energia fiável no sistema de energia continua a aumentar. Nos últimos anos, o armazenamento de energia a longo prazo começou a chamar a atenção do público e rapidamente desencadeou um boom na investigação tecnológica e no investimento de capital, armazenamento de energia a longo prazo começou a ser conhecida do público e rapidamente desencadeou um boom na investigação tecnológica e no investimento de capital.
O que é o armazenamento de energia a longo prazo?
Até à data, o armazenamento de energia a longo prazo é ainda uma novidade e não existe uma definição unificada de armazenamento de energia a longo prazo a nível mundial.
Nos últimos anos, o armazenamento de energia a longo prazo começou a chamar a atenção do público e rapidamente desencadeou um boom na investigação tecnológica e no investimento de capital, o "Issue Brief - Long-duration energy storage" emitido pelo Sandia National Laboratory nos Estados Unidos considera que o armazenamento de energia a longo prazo é uma tecnologia de armazenamento de energia com um tempo de descarga contínua não inferior a 4 horas. Nos últimos dois anos, o Departamento de Energia dos EUA publicará um relatório sobre o apoio ao armazenamento de energia a longo prazo, que define o armazenamento de energia a longo prazo como tecnologias de armazenamento de energia com um tempo de descarga contínua não inferior a 10 horas e uma vida útil de 15-20 anos. Mais académicos publicaram artigos em revistas, definindo o armazenamento de energia a longo prazo como uma tecnologia de armazenamento de energia que se estende do dia para a estação. Para o distinguir do sistema de armazenamento de energia de 2 horas atualmente em construção em grande escala na China, alguns profissionais classificam também as tecnologias de armazenamento de energia de 4 horas ou mais como armazenamento de energia a longo prazo.
Porquê desenvolver o armazenamento de energia a longo prazo?
Para responder a esta pergunta, temos de começar por saber por que razão se desenvolve o armazenamento de energia.
Um sistema elétrico sem armazenamento de energia é relativamente instável. No entanto, atualmente, o sistema de energia baseado principalmente na energia térmica ainda tem um suporte de energia fiável, porque a energia térmica gerada a pedido assegura o funcionamento do sistema de energia. No entanto, com a aplicação em profundidade da política de redução das emissões de dióxido de carbono no futuro, a proporção de fontes de energia renováveis altamente voláteis (principalmente energia solar e eólica) aumentará até certo ponto, e a eletricidade será escassa à noite, sem vento e sem luz. A fim de melhorar a fiabilidade do sistema de energia, é imperativo o desenvolvimento do armazenamento de energia de apoio.
Então, porquê desenvolver o armazenamento de energia a longo prazo?
Por exemplo, se a central hidroelétrica regular a capacidade de armazenamento da albufeira durante apenas duas horas, a segunda metade da noite continuará a ser passada na escuridão; mesmo que a capacidade de armazenamento da albufeira seja suficiente para dez horas, temos de rezar para que o dia seguinte seja de sol. Ou com vento, se o dia nublado sem vento durar dois ou três dias, temos de preparar um reservatório maior, ou seja, armazenamento de energia a longo prazo.
É claro que o futuro sistema de energia também terá outras fontes de energia para além do vento. Tendo em conta as características complementares da produção de energia, juntamente com um armazenamento de energia a longo prazo de duração adequada, o sistema de energia tornar-se-á uma central hidroelétrica totalmente regulada, que pode ser livre de preocupações durante todo o ano.
Os especialistas do sector prevêem que, até 2040, serão instalados a nível mundial 85-140 mil milhões de kWh de armazenamento de energia de longa duração.
Que tecnologias de armazenamento de energia a longo prazo são utilizadas na China?
Com base no tipo de tecnologia, a armazenagem de energia a longo prazo pode ser classificada como mecânica, eletroquímica, térmica e química. Em seguida, apresentaremos várias tecnologias de armazenamento de energia a longo prazo habitualmente utilizadas na China, nomeadamente o armazenamento hídrico por bombagem, as baterias de fluxo líquido, o armazenamento térmico de sal fundido e o armazenamento de energia por ar comprimido.
Armazenamento hidroelétrico por bombagem
A acumulação por bombagem tem dois reservatórios, superior e inferior. Para o armazenamento de energia, a água é bombeada para o reservatório superior com energia eléctrica, que é convertida em energia potencial gravitacional; para a produção de energia, a água é libertada para o reservatório inferior para acionar a turbina, e a energia potencial gravitacional é convertida em energia eléctrica. As centrais eléctricas de acumulação por bombagem têm uma grande escala de construção e um longo período de construção, mas são capazes de fornecer mais energia ao sistema elétrico. Atualmente, a capacidade individual das centrais eléctricas de acumulação por bombagem é de 300 000 a 400 000 quilowatts, com uma capacidade total instalada de 300 000 a 3 600 000 quilowatts, e o tempo de acumulação é geralmente de 4 a 10 horas.
Bateria de fluxo líquido
A bateria de fluxo líquido refere-se à colocação de eletrólito e pilha eléctrica separadamente, e a reação química reversível ocorre quando o eletrólito positivo e negativo flui através da pilha eléctrica para realizar a transformação mútua de energia eléctrica e química. O ciclo de construção da bateria de fluxo líquido é curto e, ajustando a capacidade da pilha ou do eletrólito, a capacidade de produção de energia e de armazenamento de energia pode ser ampliada. A atual capacidade instalada da bateria de fluxo é de 10-100MW e o tempo de armazenamento de energia é geralmente de 2-6 horas.
Armazenamento térmico de sal fundido
O armazenamento térmico de sal fundido permite o armazenamento de energia através do aquecimento do sal fundido. No processo de libertação de energia, a troca de calor de sal fundido a alta temperatura gera vapor a alta temperatura e alta pressão para acionar turbinas a vapor para a produção de energia. O armazenamento de energia em sal fundido é de grande escala e tem uma longa vida útil, sendo, nesta fase, principalmente utilizado em centrais eléctricas CSP. Atualmente, a capacidade instalada de armazenamento de sal fundido é de 10-100MW, e o tempo de armazenamento é geralmente de 5-15 horas.
Armazenamento de energia a longo prazo com ar comprimido
O armazenamento de energia a longo prazo de ar comprimido utiliza geralmente cavernas de sal ou contentores para armazenar ar a alta pressão. Durante o processo de armazenamento de energia, o compressor comprime e armazena o ar, convertendo a energia eléctrica em energia interna do ar; ao libertar energia, o ar a alta pressão acciona a turbina para gerar eletricidade, convertendo a energia interna do ar em energia eléctrica. A central eléctrica de armazenamento de energia a longo prazo a ar comprimido tem um longo ciclo de construção e uma elevada segurança, pertencendo à tecnologia mecânica de armazenamento de energia a longo prazo. Atualmente, a capacidade instalada da central de armazenamento de energia a ar comprimido é de 10-300 MW, e o tempo de armazenamento de energia é geralmente de 4-10 horas.
Além disso, as cavernas de sal ou os contentores podem ser utilizados para armazenar hidrogénio, a fim de conseguir um armazenamento de energia química durante semanas ou mesmo estações.
Que outras tecnologias estranhas de armazenamento de energia a longo prazo existem?
Muitas tecnologias de ponta de armazenamento de energia a longo prazo estão ainda na fase inicial de I&D e demonstração, como o armazenamento de energia em baterias ferro-ar, o armazenamento de energia em rochas quentes, o armazenamento de energia em baterias de dióxido de carbono, o armazenamento de energia em alumínio fundido, etc.
Armazenamento de energia a longo prazo de baterias de ferro-ar
Uma pilha ferro-ar é um tipo de pilha metal-ar cujo princípio básico se baseia na oxidação reversível (ferrugem) do ferro. Quando a pilha ferro-ar é descarregada, o oxigénio do ar provoca a oxidação do ferro; quando é carregada, a oxidação é reduzida a ferro pela ação de uma corrente eléctrica. A única substância emitida por este processo é o oxigénio. A Form Energy, a empresa que inventou a tecnologia, afirma que um sistema de armazenamento de energia que utilize as baterias pode durar até 100 horas de descarga a um custo comparável ao das actuais centrais eléctricas alimentadas por combustíveis fósseis.
Armazenamento de energia a longo prazo em rocha quente
A empresa de tecnologia de armazenamento está a trabalhar numa tecnologia para armazenar energia eléctrica sob a forma de calor em pedra, denominada GridScale. O armazenamento de energia GridScale consiste em um ou mais conjuntos de tanques de aço cheios de entulho. A pedra britada é uma rocha basáltica esmagada até ao tamanho de uma ervilha e pode suportar um aquecimento repetido. A carga e a descarga são feitas através de um sistema de compressor e turbina que bombeia energia térmica de um tanque cheio de pedras frias para um tanque cheio de pedras quentes. As pedras no frasco frio ficam mais frias, enquanto o frasco quente fica mais quente, atingindo temperaturas de até 600 graus Celsius. A energia pode ser armazenada na pedra durante muitos dias e, quando a rede necessita de eletricidade, a energia térmica é devolvida do tanque quente para o tanque frio através de turbinas, produzindo eletricidade. Esta é uma solução eficiente de armazenamento de energia a longo prazo devido às baixas perdas de energia, e o número de tanques de armazenamento pode ser selecionado de acordo com o tempo e a capacidade de armazenamento necessários.
Armazenamento de energia a longo prazo de baterias de dióxido de carbono
A empresa italiana Energy Dome afirma que as suas baterias de dióxido de carbono podem proporcionar uma resposta rápida e um armazenamento de energia barato à escala da rede. O seu princípio é semelhante ao do sistema de armazenamento de energia a longo prazo por ar comprimido. O gerador comprime o dióxido de carbono em líquido e armazena-o, e armazena o calor residual gerado pelo gás comprimido; quando precisa de apoiar a rede eléctrica, o dióxido de carbono líquido é evaporado com o calor residual previamente armazenado para acionar o segundo conjunto de turbinas. É gerada eletricidade e o gás de dióxido de carbono é devolvido ao airbag.
De acordo com a Energy Dome, a bateria de dióxido de carbono de tamanho normal tem uma capacidade de até 25 megawatts e armazena 100 a 200 megawatts-hora de energia com um ciclo ótimo de carga/descarga de 4 a 24 horas, o que a torna ideal para ciclos diários e diurnos; a sua eficiência de conversão atinge 75 %, a vida útil da bateria deverá ser de cerca de 25 anos e o custo nivelado (LCOS) pode ser tão baixo como $50-60/MWh em poucos anos. A Energy Dome comparou a sua tecnologia com a do armazenamento de energia a ar comprimido (CAES) e a do armazenamento de energia a ar líquido (LAES) e concluiu que as baterias de dióxido de carbono têm uma densidade de armazenamento de energia 10 a 30 vezes superior à do CAES, embora apenas dois terços da do LAES.
Armazenamento de energia a longo prazo a partir de alumínio fundido
A tecnologia experimental da empresa sueca Azelio, armazenamento de energia a longo prazo a partir de alumínio fundido, foi instalada num complexo solar de 580 MW em Marrocos (510 MW CSP e 70 MW PV). A tecnologia utiliza um material de mudança de fase feito de liga de alumínio reciclado como meio de armazenamento térmico, por um lado utilizando eletricidade para aquecer o alumínio reciclado a 600°C através de um aquecedor resistivo, e por outro lado utilizando um sistema solar térmico concentrado que funde a liga de alumínio com o calor gerado pelo sistema, armazenando assim a energia sob a forma de calor. Quando a energia precisa de ser libertada, a liga arrefece e volta a solidificar, e o calor libertado é enviado para o motor para gerar eletricidade utilizando óleo de transferência de calor. O calor residual a uma temperatura de 65°C pode também ser vendido a utilizadores industriais ou a sistemas locais de aquecimento urbano.
Sistema de armazenamento de energia a longo prazo em alumínio fundido
De acordo com Azelio, o processo tem uma eficiência de ida e volta de 90 por cento quando se utiliza tanto a eletricidade como o calor residual; a tecnologia permite até 13 horas de armazenamento de eletricidade, pode ser instalada de forma modular e pode fornecer calor a pedido, em tempo quente ou frio Pode ser utilizada em todas as condições climáticas e prevê-se que a vida útil do sistema seja de até 30 anos. Ao mesmo tempo, o esquema pode ser escalado de 100 quilowatts para 100 megawatts; e o meio de armazenamento de alumínio reciclado pode ser reutilizado várias vezes sem reduzir a capacidade ao longo do tempo.
Em suma, cada vez mais empresas estão a aderir à investigação, desenvolvimento e concorrência no domínio da tecnologia de armazenamento de energia a longo prazo. No entanto, o futuro do armazenamento de energia a longo prazo ainda precisa de ser continuamente explorado e investigado.
Conhecimentos sobre armazenamento de energia a longo prazo
O que é o armazenamento de energia a longo prazo?
Até à data, o armazenamento de energia a longo prazo é ainda uma novidade e não existe uma definição unificada de armazenamento de energia a longo prazo a nível mundial. Nos últimos anos, o armazenamento de energia a longo prazo começou a chamar a atenção do público e rapidamente desencadeou um boom na investigação tecnológica e no investimento de capital, o "Issue Brief - Long-duration energy storage" emitido pelo Sandia National Laboratory nos Estados Unidos considera que o armazenamento de energia a longo prazo é uma tecnologia de armazenamento de energia com um tempo de descarga contínua não inferior a 4 horas. Nos últimos dois anos, o Departamento de Energia dos EUA publicará um relatório sobre o apoio ao armazenamento de energia a longo prazo, que define o armazenamento de energia a longo prazo como tecnologias de armazenamento de energia com um tempo de descarga contínua não inferior a 10 horas e uma vida útil de 15-20 anos. Mais académicos publicaram artigos em revistas, definindo o armazenamento de energia a longo prazo como uma tecnologia de armazenamento de energia que se estende do dia para a estação. Para o distinguir do sistema de armazenamento de energia de 2 horas atualmente em construção em grande escala na China, alguns profissionais classificam também as tecnologias de armazenamento de energia de 4 horas ou mais como armazenamento de energia a longo prazo.Porquê desenvolver o armazenamento de energia a longo prazo?
Para responder a esta pergunta, temos de começar por saber por que razão se desenvolve o armazenamento de energia. Um sistema elétrico sem armazenamento de energia é relativamente instável. No entanto, atualmente, o sistema de energia baseado principalmente na energia térmica ainda tem um suporte de energia fiável, porque a energia térmica gerada a pedido assegura o funcionamento do sistema de energia. No entanto, com a aplicação em profundidade da política de redução das emissões de dióxido de carbono no futuro, a proporção de fontes de energia renováveis altamente voláteis (principalmente energia solar e eólica) aumentará até certo ponto, e a eletricidade será escassa à noite, sem vento e sem luz. A fim de melhorar a fiabilidade do sistema de energia, é imperativo o desenvolvimento do armazenamento de energia de apoio. Então, porquê desenvolver o armazenamento de energia a longo prazo? Por exemplo, se a central hidroelétrica regular a capacidade de armazenamento da albufeira durante apenas duas horas, a segunda metade da noite continuará a ser passada na escuridão; mesmo que a capacidade de armazenamento da albufeira seja suficiente para dez horas, temos de rezar para que o dia seguinte seja de sol. Ou com vento, se o dia nublado sem vento durar dois ou três dias, temos de preparar um reservatório maior, ou seja, armazenamento de energia a longo prazo. É claro que o futuro sistema de energia também terá outras fontes de energia para além do vento. Tendo em conta as características complementares da produção de energia, juntamente com um armazenamento de energia a longo prazo de duração adequada, o sistema de energia tornar-se-á uma central hidroelétrica totalmente regulada, que pode ser livre de preocupações durante todo o ano.Que tecnologias de armazenamento de energia a longo prazo são utilizadas na China?
Com base no tipo de tecnologia, a armazenagem de energia a longo prazo pode ser classificada como mecânica, eletroquímica, térmica e química. Em seguida, apresentaremos várias tecnologias de armazenamento de energia a longo prazo habitualmente utilizadas na China, nomeadamente o armazenamento hídrico por bombagem, as baterias de fluxo líquido, o armazenamento térmico de sal fundido e o armazenamento de energia por ar comprimido.Armazenamento hidroelétrico por bombagem
A acumulação por bombagem tem dois reservatórios, superior e inferior. Para o armazenamento de energia, a água é bombeada para o reservatório superior com energia eléctrica, que é convertida em energia potencial gravitacional; para a produção de energia, a água é libertada para o reservatório inferior para acionar a turbina, e a energia potencial gravitacional é convertida em energia eléctrica. As centrais eléctricas de acumulação por bombagem têm uma grande escala de construção e um longo período de construção, mas são capazes de fornecer mais energia ao sistema elétrico. Atualmente, a capacidade individual das centrais eléctricas de acumulação por bombagem é de 300 000 a 400 000 quilowatts, com uma capacidade total instalada de 300 000 a 3 600 000 quilowatts, e o tempo de acumulação é geralmente de 4 a 10 horas.Bateria de fluxo líquido
A bateria de fluxo líquido refere-se à colocação de eletrólito e pilha eléctrica separadamente, e a reação química reversível ocorre quando o eletrólito positivo e negativo flui através da pilha eléctrica para realizar a transformação mútua de energia eléctrica e química. O ciclo de construção da bateria de fluxo líquido é curto e, ajustando a capacidade da pilha ou do eletrólito, a capacidade de produção de energia e de armazenamento de energia pode ser ampliada. A atual capacidade instalada da bateria de fluxo é de 10-100MW e o tempo de armazenamento de energia é geralmente de 2-6 horas.Armazenamento térmico de sal fundido
O armazenamento térmico de sal fundido permite o armazenamento de energia através do aquecimento do sal fundido. No processo de libertação de energia, a troca de calor de sal fundido a alta temperatura gera vapor a alta temperatura e alta pressão para acionar turbinas a vapor para a produção de energia. O armazenamento de energia em sal fundido é de grande escala e tem uma longa vida útil, sendo, nesta fase, principalmente utilizado em centrais eléctricas CSP. Atualmente, a capacidade instalada de armazenamento de sal fundido é de 10-100MW, e o tempo de armazenamento é geralmente de 5-15 horas.Armazenamento de energia a longo prazo com ar comprimido
O armazenamento de energia a longo prazo de ar comprimido utiliza geralmente cavernas de sal ou contentores para armazenar ar a alta pressão. Durante o processo de armazenamento de energia, o compressor comprime e armazena o ar, convertendo a energia eléctrica em energia interna do ar; ao libertar energia, o ar a alta pressão acciona a turbina para gerar eletricidade, convertendo a energia interna do ar em energia eléctrica. A central eléctrica de armazenamento de energia a longo prazo a ar comprimido tem um longo ciclo de construção e uma elevada segurança, pertencendo à tecnologia mecânica de armazenamento de energia a longo prazo. Atualmente, a capacidade instalada da central de armazenamento de energia a ar comprimido é de 10-300 MW, e o tempo de armazenamento de energia é geralmente de 4-10 horas. Além disso, as cavernas de sal ou os contentores podem ser utilizados para armazenar hidrogénio, a fim de conseguir um armazenamento de energia química durante semanas ou mesmo estações.Que outras tecnologias estranhas de armazenamento de energia a longo prazo existem?
Muitas tecnologias de ponta de armazenamento de energia a longo prazo estão ainda na fase inicial de I&D e demonstração, como o armazenamento de energia em baterias ferro-ar, o armazenamento de energia em rochas quentes, o armazenamento de energia em baterias de dióxido de carbono, o armazenamento de energia em alumínio fundido, etc.Armazenamento de energia a longo prazo de baterias de ferro-ar
Uma pilha ferro-ar é um tipo de pilha metal-ar cujo princípio básico se baseia na oxidação reversível (ferrugem) do ferro. Quando a pilha ferro-ar é descarregada, o oxigénio do ar provoca a oxidação do ferro; quando é carregada, a oxidação é reduzida a ferro pela ação de uma corrente eléctrica. A única substância emitida por este processo é o oxigénio. A Form Energy, a empresa que inventou a tecnologia, afirma que um sistema de armazenamento de energia que utilize as baterias pode durar até 100 horas de descarga a um custo comparável ao das actuais centrais eléctricas alimentadas por combustíveis fósseis.Armazenamento de energia a longo prazo em rocha quente
A empresa de tecnologia de armazenamento está a trabalhar numa tecnologia para armazenar energia eléctrica sob a forma de calor em pedra, denominada GridScale. O armazenamento de energia GridScale consiste em um ou mais conjuntos de tanques de aço cheios de entulho. A pedra britada é uma rocha basáltica esmagada até ao tamanho de uma ervilha e pode suportar um aquecimento repetido. A carga e a descarga são feitas através de um sistema de compressor e turbina que bombeia energia térmica de um tanque cheio de pedras frias para um tanque cheio de pedras quentes. As pedras no frasco frio ficam mais frias, enquanto o frasco quente fica mais quente, atingindo temperaturas de até 600 graus Celsius. A energia pode ser armazenada na pedra durante muitos dias e, quando a rede necessita de eletricidade, a energia térmica é devolvida do tanque quente para o tanque frio através de turbinas, produzindo eletricidade. Esta é uma solução eficiente de armazenamento de energia a longo prazo devido às baixas perdas de energia, e o número de tanques de armazenamento pode ser selecionado de acordo com o tempo e a capacidade de armazenamento necessários.Armazenamento de energia a longo prazo de baterias de dióxido de carbono
A empresa italiana Energy Dome afirma que as suas baterias de dióxido de carbono podem proporcionar uma resposta rápida e um armazenamento de energia barato à escala da rede. O seu princípio é semelhante ao do sistema de armazenamento de energia a longo prazo por ar comprimido. O gerador comprime o dióxido de carbono em líquido e armazena-o, e armazena o calor residual gerado pelo gás comprimido; quando precisa de apoiar a rede eléctrica, o dióxido de carbono líquido é evaporado com o calor residual previamente armazenado para acionar o segundo conjunto de turbinas. É gerada eletricidade e o gás de dióxido de carbono é devolvido ao airbag. De acordo com a Energy Dome, a bateria de dióxido de carbono de tamanho normal tem uma capacidade de até 25 megawatts e armazena 100 a 200 megawatts-hora de energia com um ciclo ótimo de carga/descarga de 4 a 24 horas, o que a torna ideal para ciclos diários e diurnos; a sua eficiência de conversão atinge 75 %, a vida útil da bateria deverá ser de cerca de 25 anos e o custo nivelado (LCOS) pode ser tão baixo como $50-60/MWh em poucos anos. A Energy Dome comparou a sua tecnologia com a do armazenamento de energia a ar comprimido (CAES) e a do armazenamento de energia a ar líquido (LAES) e concluiu que as baterias de dióxido de carbono têm uma densidade de armazenamento de energia 10 a 30 vezes superior à do CAES, embora apenas dois terços da do LAES.Armazenamento de energia a longo prazo a partir de alumínio fundido
A tecnologia experimental da empresa sueca Azelio, armazenamento de energia a longo prazo a partir de alumínio fundido, foi instalada num complexo solar de 580 MW em Marrocos (510 MW CSP e 70 MW PV). A tecnologia utiliza um material de mudança de fase feito de liga de alumínio reciclado como meio de armazenamento térmico, por um lado utilizando eletricidade para aquecer o alumínio reciclado a 600°C através de um aquecedor resistivo, e por outro lado utilizando um sistema solar térmico concentrado que funde a liga de alumínio com o calor gerado pelo sistema, armazenando assim a energia sob a forma de calor. Quando a energia precisa de ser libertada, a liga arrefece e volta a solidificar, e o calor libertado é enviado para o motor para gerar eletricidade utilizando óleo de transferência de calor. O calor residual a uma temperatura de 65°C pode também ser vendido a utilizadores industriais ou a sistemas locais de aquecimento urbano.