A Matriz Energética no Brasil

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CAMPUS TRINDADE

ENGENHARIA ELÉTRICA

MATEUS DUARTE VITORINO

ARMAZENAMENTO DE ENERGIA COM BATERIAS GRAVITACIONAIS SÓLIDAS

FLORIANÓPOLIS 2024

1. INTRODUÇÃO

A matriz energética no Brasil é altamente dependente de fontes renováveis que necessita de fatores climáticos e naturais específicos para o seu funcionamento. (BRASIL, 2022). Logo, elas nem sempre estarão prontas para fornecer eletricidade nas horas de urgência. Assim, cresce a necessidade de armazenar a energia produzida por essas fontes.

De toda a oferta de eletricidade interna no Brasil, 83% são representadas por fontes renováveis. Uma vez que essas fontes não são contínuas e dependem, majoritariamente, das condições favoráveis ambientais como disponibilidade de ventos, incidência solar e chuvas, em quantidades suficientes para suprir a demanda, torna-se necessário o armazenamento da energia elétrica, que na maioria dos casos, utiliza-se das já conhecidas baterias químicas (chumbo ou lítio, por exemplo). (MORSTYN, 2021, apud PIRES et al., 2023).

Alguns métodos entram nessa jogada para auxiliar em alcançar a demanda energética nos horários de pico de consumo de energia elétrica, quando a esta fica mais cara, distribuindo energia armazenada em excesso e barata. Métodos como baterias de lítio e de chumbo possuem fortes impactos naturais e para a saúde e uma capacidade de armazenamento limitada, se destacando em armazenamento para baixas potências. Para largas escalas, temos as centrais hidrelétricas reversíveis, onde a água é bombeada para cima de morros e depois é liberada para o que o fluxo de água desça ladeira a baixo, aproveitando a força potencial gravitacional para girar uma turbina e fornecer energia elétrica. Esse método necessita de condições geográficas específicas, é muito caro e ocupa muito espaço, além do problema da evaporação da água, por se tratar de um reservatório de água a céu aberto. (TONG et al. 2022)

Então, pode-se utilizar de baterias de gravidade por meio de suspensão de blocos grandes e pesados para suprir essa demanda. Este método também funciona com energia potencial gravitacional. A diferença é que neste, usamos energia excedente para levantar blocos pesados para o topo de uma estrutura alta, para então, nos momentos de alta demanda energética, descer esses blocos de forma controlada, aproveitando a energia potencial para rotacionar um gerador. O objetivo consiste em aumentar a utilização e a viabilidade de sistemas de armazenamento de energia por gravidade para evitar apagões e a sobrecarga do sistema energético e diminuir o custo médio de energia, o custo de armazenamento, por ser um método que envolve processos físicos básicos, ocupa bem pouco espaço, podendo ser aplicado em várias formações geográficas. (TONG et al. 2022)

1. MÉTODOS DE ARMAZENAMENTO

O método mais utilizado para armazenamento de energia elétrica em larga escala atualmente é o PHES (Pumped hydroelectric energy storage), representando 79.3% de toda a capacidade de armazenamento de energia instalada. (China Energy Storage Alliance, 2023, p.1 ). Como citado na introdução, o PHES funciona usando eletricidade para acionar bombas que transportam a água de um reservatório em menor altitude para outro em maior altitude, armazenando eletricidade na forma de energia potencial gravitacional líquida. Ao liberar a água do reservatório superior para o inferior, a força de descida da água movimenta uma turbina, gerando energia elétrica.

Outros métodos também são relevantes serem mencionados e explicados para termos um entendimento das tecnologias envolvidas neste tema, entre eles temos os seguintes:

CAES (Compressed air energy storage) é um meio de armazenar energia utilizando um compressor de ar para guardar ar comprimido em uma câmara de estoque. Quando liberado o ar comprimido, ele gira uma turbina para produzir eletricidade. Alguns reservatórios utilizam combustíveis fósseis para aquecer este ar comprimido e potencializar a geração de energia.

LAES (Liquid air energy storage) é uma forma parecida com CAES que liquidifica ar comprimido em baixas temperaturas, reduzindo a dependência de fatores geográficos para a sua instalação e a área para a construção desta tecnologia e armazenamento do recurso.

BES (Battery energy storage) é a solução mais comum para armazenamento, realizando a conversão de energia química para energia elétrica por meio de uma reação de oxirredução, porém ainda não há resoluções para problemas de segurança relacionados à aplicação em larga escala deste meio de armazenamento.

Uma das tecnologias mais promissoras para a reserva em larga escala atualmente é a HES (Hydrogen energy storage). Ela converte energia elétrica em energia química ao extrair hidrogênio por meio da eletrólise da água. Todavia, o principal problema é como estocar grandes volumes de hidrogênio de uma forma segura. (TONG et al. 2022)

Agora, colocando em comparação, a SGES (Solid gravity energy storage), objeto de estudo deste artigo, possui várias vantagens suportadas conforme o estudo “Solid gravity energy storage: A review” de Tong et al. (2022).

Em relação à PHES, a SGES utiliza um recurso de maior densidade e massa, podendo ser adaptada para regiões geográficas que a PHES não cobre, maior densidade energética, melhor eficiência de ciclo e economia.

Em relação às BES e HES, a SGES apresenta segurança significativamente maior, melhor inércia (capacidade de geradores resistirem a variações súbitas no sistema elétrico), melhor sincronização com a rede (capacidade de uma fonte de energia de operar na mesma frequência e tensão que o restante do sistema, evitando instabilidades), permitindo operação mais eficiente e estável do sistema.

E em relação à LAES e CAES, a SGES apresenta uma maior eficiência de ciclo, apesar de sua menor densidade energética.

Consequentemente, a SGES possui uma ampla aplicabilidade em regiões com novas fontes de energia, como eólica e solar, porém apenas onde não há aplicabilidade de PHES, por esta última ser um sistema de armazenamento já muito consolidado e adotado em várias regiões, tornando a SGES um ótimo complemento para a PHES. (TONG et al. 2022)

1. TIPOS DE BATERIAS GRAVITACIONAIS SÓLIDAS

A tecnologia de baterias gravitacionais sólidas deixou de ser mera verificação teórica e passou a ser uma aplicação de engenharia ainda recente. A seguir será demonstrado em maiores detalhes o funcionamento de cada tipo de SGES, bem como figuras para ilustração.