Armazenar energia “verde” compensa?

Cientistas de Stanford calculam a energia necessária para armazenar energia eólica e solar na rede

As baterias de armazenamento convencionais são boas para “fazendas” de energia solar (em larga escala), mas são necessários aperfeiçoamentos tecnológicos para o armazenamento da energia eólica, dizem os cientistas de Stanford.

Original (em inglês) por MARK SHWARTZ

wind turbines

Um novo estudo descobre que pode ser melhor para o meio ambiente desligar uma turbina eólica do que armazenar a energia excedente que ela pode gerar. Crédito da imagem: Charles Barnhart

A energia de fontes renováveis é a grande esperança para que se torne possível reduzir as emissões de dióxido de carbono. Mas há ocasiões onde as “fazendas” solares e eólicas geram mais energia do que a demanda requer. Armazenar essa energia excedente para futuro emprego parece uma solução óbvia, porém um novo estudo da Universidade Stanford sugere que essa solução nem sempre se aplica.

“Examinamos as baterias e outras tecnologias promissoras para o armazenamento da energia solar e eólica na rede elétrica”, explica Charles Barnhart, o principal autor do estudo e doutor-pesquisador no projeto da Stanford Global Climate and Energy Project (GCEP).

“Nossa meta principal foi calcular o custo energético total – ou seja, a quantidade total de combustível e eletricidade necessários para construir e fazer funcionar essas tecnologias de armazenamento. Descobrimos que, quando se computa os custos energéticos, baterias em escala de rede só fazem sentido para armazenar energia solar excedente, mas não a eólica”.

O estudo, financiado pelo GCEP, foi publicado na edição online de Energy and Environmental Science.

Mudanças climáticas e energia renovável

A maior parte da energia elétrica nos Estados Unidos é gerada em usinas que funcionam a base de carvão e gás natural – combustíveis fósseis que contribuem de maneira significativa para o aquecimento global através da emissão de grandes quantidades de dióxido de carbono. As energias solar e eólica não geram emissões e são fontes renováveis, mas são dependentes da luz solar e dos ventos para funcionarem.

“Para que a rede funcione eficientemente, a geração de energia precisa se adequar à demanda sempre, porém, no caso das fontes renováveis, nem sempre é o caso”, prossegue Barnhart. “Por exemplo, as fazendas de ventos algumas vezes produzem eletricidade demais à noite, quando a demanda é pequena. Este excesso de energia tem que ser armazenado ou usado em outro lugar, senão, será desperdiçado. No entanto, a rede de energia dos Estados Unidos tem uma capacidade de armazenagem muito limitada”.

Uma grande variedade de tecnologias está sendo desenvolvida para resolver essa deficiência de capacidade de armazenagem de energia na rede. A equipe de Stanford avaliou várias tecnologias emergentes, inclusive cinco tipos de baterias – ácido-chumbo, íon de lítio, sódio-enxofre, vanádio-redox e zinco-bromo.

Em um estudo anterior, Barnhart calculou o custo energético para a construção e manutenção de cada um dos cinco sistemas de baterias para armazenagem em escala da rede. Ele descobriu que as baterias ácido-chumbo eram as de maior custo energético, enquanto as de íon de lítio eram as de menor.

“Calculamos quanta energia é empregada ao longo de todo o ciclo de vida da bateria – desde a mineração das matérias primas, até a instalação do dispositivo pronto”, explica Barnhart. “As baterias com maior custo energético são aquelas são as que mais consumem combustíveis fósseis e, portanto, são responsáveis pelas maiores emissões de dióxido de carbono ao longo de seu tempo de vida. Se o custo energético de uma bateria for alto demais, sua contribuição para o aquecimento global pode neutralizar os benefícios que a fazenda solar ou eólica – cujo funcionamento ela deveria apoiar – possam gerar”.

Para o presente estudo, ele e seus colegas calcularam o custo energético de células solares fotovoltáicas turbinas elólicas na escala da rede.

“Tanto as turbinas eólicas quanto as células fotovoltaicas produzem mais energia que o necessário para construí-las e mantê-las”, diz o doutor-pesquisador do GCEP Michael Dale, um co-autor do estudo. “No entanto, nossos cálculos mostraram que o custo energético global das turbinas eólicas é muito menor do que o dos painéis solares convencionais, os quais requerem uma grande quantidade de energia, fundamentalmente de combustíveis fósseis, para o processamento do silício e a fabricação de outros componentes”.

É melhor armazenar ou desligar?

A seguir, os cientistas examinaram os custos energéticos do desligamento dos painéis solares e turbinas eólicas para não permitir a geração de um excesso de energia para a rede.

“O desligamento de fontes de energia renovável parece um desperdício”, diz Barnhart. “Porém os operadores da rede rotineiramente desligam turbinas eólicas para evitar um excesso súbito e inesperado de geração de eletricidade que poderia causar uma sobrecarga nas linhas de transmissão e causar apagões. A frequência desses desligamentos nos EUA provavelmente vai aumentar, na medida em que as fontes de energia renováveis se tornem mais participantes”.

Desligar uma fonte de energia limpa pode parecer contra-intuitivo, mas será que armazenar o excesso de energia em baterias é uma alternativa prática?

Para descobrir, os pesquisadores compararam o custo energético do desligamento dos geradores solares e eólicos com o custo energético do armazenamento em grande escala na rede. Seus cálculos se basearam em uma fórmula conhecida como “retorno em energia sobre o investimento” – a quantidade de energia produzida por uma tecnologia, dividida pela quantidade de energia necessária para construir e manter essa tecnologia.

Usando esta formula, os pesquisadores calcularam que a quantidade de energia necessária para criar uma fazenda solar é comparável à energia usada para construir cada uma das cinco diferentes tecnologias de baterias de armazenamento. “O uso de bateria para armazenar energia solar durante os períodos de baixa demanda seria, portanto, favorável em termos energéticos”, afirma Dale.

Os resultados foram bem diferentes para as fazendas de ventos. Os cientistas descobriram que o desligamento das turbinas eólicas reduz o retorno do investimento em energia em apenas 10%. Porém o armazenamento dos eventuais excessos de energia elétrica gerada por turbinas eólicas resulta em reduções ainda maiores – desde cerca de 20% com baterias de íon de lítio, até mais de 50% com baterias de ácido-chumbo.

“Idealmente, o custo energético do deligamento de um sistema deveria ser ao menos igual ao custo de armazenagem”, explica Dale. “Este é o caso com as células fotovoltaicas, porém no caso das fazendas de ventos, o custo energético do desligamento é muito menor do que o de armazenagem com baterias. Assim, o desligamento de uma turbina eólica é mais eficiente em termos de economia de energia do que o custo de armazenagem de excessos”.

Ele faz a comparação com um cofre: “Não compensa gastar $100 em um cofre para guardar um relógio de $10”, diz ele. “Da mesma forma, não é sensato montar baterias energeticamente caras para armazenar uma energia cujo custo de produção é barato como o vento, embora faça sentido para sistemas de células fotovoltaicas que demandam muita energia em sua produção”.

Barnhart aduz que a maneira mais eficaz de melhorar o desempenho energético de uma bateria, seria aumentar sua vida útil. Baterias de íon de lítio convencionais duram cerca de quatro anos, ou 6.000 ciclos de carga-descarga. As baterias de ácido-chumbo duram apenas 700 ciclos. Para armazenar de maneira eficiente a energia para a rede, as baterias deveriam suportar entre 10.000 e 18.000 ciclos, segundo ele.

“Armazenar energia consome energia e desligar a fonte é um desperdício”, conclui Barnhart. “Em ambos os casos há uma redução no total do retorno energético do investimento”.

Outras opções

Além das baterias, os pesquisadores consideraram outras tecnologias para armazenamento de energia de fontes renováveis, tais como armazenamento por bombeamento para hidroeléticas, que usa a energia elétrica excedente para bombear água para um reservatório de uma barragem. Mais tarde, quando a demanda por energia crescer, a água armazenada é liberada através das turbinas da barragem para gerar eletricidade.

“O bombeamento de água é usado em 99% do armazenamento para a rede atualmente”, diz Barnhart. “Funciona incrivelmente bem, de um ponto de vista energético, tanto para energia solar como eólica. O retorno do investimento em energia é 10 vezes melhor do que o das baterias convencionais. Mas existem restrições geológicas e ambientais para o armazenamento da água bombeada”.

O armazenamento não é a única maneira de melhorar a confiabilidade da rede. “A energia que seria perdida em caso de excesso de produção, pode ser usada para bombear água para irrigação, ou para recarregar uma frota de veículos elétricos, por exemplo”, sugere Dale.

Barnhart acrescenta que é importante que a sociedade tenha consciência de como economizar energia, notadamente quanto à implementação de novas tecnologias. “Investidores e aqueles que tomam as decisões políticas precisam também considerar os custos energéticos, além dos financeiros, das novas tecnologias”, afirma ele. “Se a economia for o único fator considerado, as tecnologias mais baratas que necessitam significativas quantidades de energia para sua manufatura, manutenção e substituição, podem sair vencedoras – mesmo que elas ao fim e ao cabo aumentem as emissões de gases de efeito estufa e acabem por jogar fora todos os benefícios de longo prazo da implementação da geração de eletricidade por energia solar e eólica”.

“Nossa meta é compreender o que é necessário para construir um sistema energético com baixo rastro de carbono”, diz a co-autora Sally Benson, diretora do GCEP e professora de engenharia de recursos energéticos. “O retorno do investimento em energia é uma dessas métricas que alertam sobre prováveis obstáculos a frente. Temos esperança que este estudo forneça um padrão para desempenho que guie futuras pesquisas de armazenamento de energia em escala para a rede”.

Adam Brandt, um  professor assistente de engenharia de recursos energéticos da Escola de Ciências da Terra em Stanford, também assina o estudo como co-autor.

Mark Shwartz escreve sobre ciências e tecnologias da energia para o Precourt Institute for Energy na Universidade Stanford.

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