Nas últimas décadas, o custo da geração de energia eólica e solar caiu drasticamente. Este é um dos motivos pelos quais o Departamento de Energia dos EUA projeta que a energia renovável será a fonte de energia dos EUA de crescimento mais rápido até 2050.
No entanto, ainda é relativamente caro armazenar energia. E uma vez que a geração de energia renovável não está disponível o tempo todo – isso acontece quando o vento sopra ou o sol brilha – o armazenamento é essencial.
Como pesquisadora do Laboratório Nacional de Energia Renovável, eu trabalho com o governo federal e a indústria privada para desenvolver tecnologias de armazenamento de energia renovável. Em um relatório recente, os pesquisadores do NREL estimaram que existe potencial para aumentar a capacidade de armazenamento de energia renovável dos EUA em até 3.000% até 2050.
Aqui estão três tecnologias emergentes que podem ajudar a fazer isso acontecer.
Cargas mais duradouras
De baterias alcalinas para pequenos aparelhos eletrônicos a baterias de íon de lítio para carros e laptops, a maioria das pessoas já usa baterias em muitos aspectos de suas vidas diárias. Mas ainda há muito espaço para crescer.
Por exemplo, baterias de alta capacidade com longos tempos de descarga – até 10 horas – podem ser valiosas para armazenar energia solar à noite ou aumentar o alcance dos veículos elétricos. No momento, existem muito poucas baterias em uso. No entanto, de acordo com projeções recentes, mais de 100 gigawatts dessas baterias provavelmente serão instaladas até 2050. Para comparação, isso é 50 vezes a capacidade de geração da Represa Hoover. Isso pode ter um impacto enorme na viabilidade das energias renováveis.
Entre os maiores obstáculos estão os suprimentos limitados de lítio e cobalto, que atualmente são essenciais para a fabricação de baterias leves e potentes. De acordo com algumas estimativas, cerca de 10% do lítio do mundo e quase todas as reservas de cobalto do mundo estarão esgotadas até 2050.
Além disso, quase 70% do cobalto mundial é extraído do Congo, em condições que há muito foram documentadas como desumanas.
Os cientistas estão trabalhando para desenvolver técnicas de reciclagem de baterias de lítio e cobalto e para projetar baterias baseadas em outros materiais. A Tesla planeja produzir baterias sem cobalto nos próximos anos. Outros pretendem substituir o lítio por sódio, que tem propriedades muito semelhantes às do lítio, mas é muito mais abundante.
Baterias mais seguras
Outra prioridade é tornar as baterias mais seguras. Uma área de melhoria são os eletrólitos – o meio, geralmente líquido, que permite que uma carga elétrica flua do ânodo da bateria, ou terminal negativo, para o cátodo ou terminal positivo.
Quando uma bateria está em uso, as partículas carregadas no eletrólito se movem para equilibrar a carga da eletricidade que sai da bateria. Os eletrólitos geralmente contêm materiais inflamáveis. Se eles vazarem, a bateria pode superaquecer e pegar fogo ou derreter.
Os cientistas estão desenvolvendo eletrólitos sólidos, o que tornaria as baterias mais robustas. É muito mais difícil para as partículas se moverem através de sólidos do que através de líquidos, mas resultados encorajadores em escala de laboratório sugerem que essas baterias podem estar prontas para uso em veículos elétricos nos próximos anos, com datas previstas para comercialização já em 2026.
Embora as baterias de estado sólido sejam adequadas para equipamentos eletrônicos de consumo e veículos elétricos, para armazenamento de energia em grande escala, os cientistas estão buscando designs totalmente líquidos chamados baterias de fluxo.
Uma bateria de fluxo típica consiste em dois tanques de líquidos que são bombeados através de uma membrana mantida entre dois eletrodos
Nestes dispositivos, tanto o eletrólito quanto os eletrodos são líquidos. Isso permite um carregamento super rápido e facilita a fabricação de baterias realmente grandes. Atualmente, esses sistemas são muito caros, mas as pesquisas continuam baixando o preço.
Armazenando luz solar como calor
Outras soluções de armazenamento de energia renovável custam menos do que baterias em alguns casos. Por exemplo, usinas de energia solar concentrada usam espelhos para concentrar a luz do sol, que aquece centenas ou milhares de toneladas de sal até derreter. Esse sal fundido é então usado para acionar um gerador elétrico, assim como o carvão ou a energia nuclear são usados para aquecer o vapor e acionar um gerador nas usinas tradicionais.
Esses materiais aquecidos também podem ser armazenados para produzir eletricidade em dias nublados ou mesmo à noite. Esta abordagem permite que a energia solar concentrada funcione 24 horas por dia.
Esta ideia pode ser adaptada para uso com tecnologias de geração de energia não solar. Por exemplo, eletricidade produzida com energia eólica pode ser usada para aquecer sal para uso posterior quando não houver vento.
A concentração de energia solar ainda é relativamente cara. Para competir com outras formas de geração e armazenamento de energia, ela precisa se tornar mais eficiente. Uma forma de conseguir isso é aumentar a temperatura a que o sal é aquecido, permitindo uma produção de eletricidade mais eficiente. Infelizmente, os sais atualmente em uso não são estáveis em altas temperaturas. Os pesquisadores estão trabalhando para desenvolver novos sais ou outros materiais capazes de suportar temperaturas de até 1.300 graus Fahrenheit (705° C).
Uma ideia importante sobre como atingir temperaturas mais altas envolve aquecer areia em vez de sal, que pode suportar temperaturas mais altas. A areia seria então movida com correias transportadoras do ponto de aquecimento para o armazenamento. O Departamento de Energia anunciou recentemente o financiamento de uma usina piloto de energia solar concentrada com base neste conceito.
Combustíveis renováveis avançados
As baterias são úteis para armazenamento de energia de curto prazo, e usinas de energia solar concentrada podem ajudar a estabilizar a rede elétrica. No entanto, as concessionárias também precisam armazenar muita energia por períodos indefinidos de tempo. Este é um papel para os combustíveis renováveis como hidrogênio e amônia. As concessionárias armazenariam energia nesses combustíveis, produzindo-os com energia excedente, quando as turbinas eólicas e os painéis solares estão gerando mais eletricidade do que os clientes das concessionárias precisam.
O hidrogênio e a amônia contêm mais energia por libra do que as baterias, então eles funcionam onde as baterias não funcionam. Por exemplo, eles podem ser usados para o transporte de cargas pesadas e operação de equipamentos pesados e para combustível de foguete.
Hoje, esses combustíveis são feitos principalmente de gás natural ou outros combustíveis fósseis não renováveis por meio de reações extremamente ineficientes. Embora pensemos nele como um combustível verde, a maior parte do gás hidrogênio hoje é feita de gás natural.
Os cientistas estão procurando maneiras de produzir hidrogênio e outros combustíveis usando eletricidade renovável. Por exemplo, é possível fazer combustível de hidrogênio dividindo as moléculas de água usando eletricidade. O principal desafio é otimizar o processo para torná-lo eficiente e econômico. A recompensa potencial é enorme: energia inesgotável e totalmente renovável.
Kerry Rippy é pesquisadora do Laboratório Nacional de Energia Renovável