EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA – Universo Lambda
universo 26/09/2017 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA2017-09-26T08:56:46+00:00 Artigos, Colunistas, EDITORIA: ENERGIA ELÉTRICA No Comment
O PROBLEMA E OS DESAFIOS
Os gases de efeito de estufa, as emissões de CO2 e o aquecimento global do planeta preocupam hoje em dia a maior parte dos cientistas, dos organismos internacionais, como a ONU, e os governantes (mau grado as posições assumidas pela atual presidência dos Estados Unidos da América), sobretudo nos países mais desenvolvidos e nalguns países em desenvolvimento, como é o caso da China e do Brasil, e em vias de desenvolvimento.
Revela-se necessário encontrar uma alternativa aos hidrocarbonetos e ao carvão, e apesar dos esforços dos governos das nações e da evolução da ciência e da tecnologia, existem ainda bastantes desafios e problemas que urgem ser resolvidos.
a) Aumentar a eficiência energética dos edifícios e dos equipamentos, domésticos e industriais, designadamente fazer uma escolha criteriosa da exposição solar das fachadas, utilização de elementos de construção isolantes (sobretudo paredes e janelas e de painéis de sombreamento, utilização de equipamentos de classe energética A, de painéis solares para aquecimento de águas domésticas e de painéis fotovoltaicos para autoconsumo de energia elétrica.
b) Aumentar a produção de energia elétrica em micro e mini centrais hidrelétricas, centrais eólicas e fotovoltaicas e incrementar o desenvolvimento tecnológico que permita melhorar o rendimento dos equipamentos de produção de energia, designadamente os painéis fotovoltaicos, possibilitando a redução daqueles painéis.
c) Desenvolver equipamentos de armazenamento de significativos valores da energia elétrica produzida nas horas de vazio e supervazio, para posterior utilização nas horas cheias e de ponta.
d) Desenvolver e expandir a utilização de meios e sistemas informáticos para otimizar as "smart grids" (redes inteligentes) nas cidades mais importantes, com o objetivo de melhorar a produção, a flexibilidade, a eficácia, a fiabilidade e o controle da produção e do consumo de energia elétrica.
e) Apostar fortemente na mobilidade elétrica e privilegiar o transporte ferroviário de mercadorias em detrimento do transporte rodoviário, para diminuir o consumo de produtos derivados do petróleo.
O alcance destes objetivos deve, contudo, considerar constrangimentos, mais políticos e sociais que técnicos.
i) A sensibilização das populações e dos agentes econômicos.
ii) A necessidade de criar fundos financeiros para implementar as novas tecnologias nas zonas mais desfavorecidas.
iii) As necessidades e as dificuldades econômicas e técnicas dos países subdesenvolvidos e mais pobres.
iv) Os interesses econômicos e políticos e a resistência à mudança de paradigma, sobretudo nos países em vias de desenvolvimento e de industrialização.
Existem vários processos de armazenamento da energia elétrica produzida e não consumida pela rede, transformando-a noutras formas de energia, designadamente mecânica, química e eletroquímica e que naturalmente têm perdas, sendo portanto o seu rendimento menor que 100%, dependendo do tipo de transformação escolhido.
Entre os métodos de transformação de energia elétrica em energia mecânica destacam-se a transformação em energia hídrica nas centrais hidrelétricas, a produção de ar comprimido e a utilização de volantes de inércia.
A transformação de energia elétrica em energia química baseia-se na produção de hidrogênio por eletrólise da água e a produção de gás a partir do hidrogênio.
A transformação de energia elétrica em energia eletroquímica realiza-se em baterias de acumuladores, sendo desde há bastante tempo conhecidas as baterias convencionais, quer as baterias ácidas (de chumbo), onde o ânodo é o chumbo, o cátodo o dióxido de chumbo e o eletrólito o ácido sulfúrico quer as baterias alcalinas, também conhecidas por baterias secas, designadamente as de níquel cádmio (NiCd), onde o ânodo é um material que contém cádmio, o cátodo é recoberto de hidróxido de níquel e o eletrólito é uma solução de hidróxido de potássio.
A capacidade de armazenamento destes tipos de baterias é limitada pelas dimensões requeridas para grandes quantidades de energia, tendo sido desenvolvida a tecnologia das baterias de iões de lítio (atualmente utilizadas nos veículos elétricos), que veio aumentar de forma muito significativa a capacidade de armazenamento das baterias.
A energia elétrica pode ser armazenada nessa mesma forma em condensadores, com destaque para os supercondensadores, mas no estado atual do desenvolvimento tecnológico, o curto período de utilização destes sistemas (os condensadores descarregam-se em tempos mais ou menos curtos) não os torna utilizáveis para o armazenamento de energia elétrica destinado a suprir a falta de produção por energias renováveis.
Tendo em atenção a investigação que tem vindo a ser realizada e o desenvolvimento atual da tecnologia espera-se que num futuro mais ou menos próximo os sistemas de armazenamento de energia elétrica que terão uma maior aplicação serão:
– As baterias de iões de lítio.
– Os supercondensadores.
As baterias de iões de lítio [1], que constituem a mais recente tecnologia de armazenamento de energia elétrica em forma de energia eletroquímica, e que começaram a ser comercializadas na década de 90 do século passado, usam como eletrólito um sal de lítio num solvente orgânico, um óxido metálico no cátodo e carbono, designadamente a grafite, no ânodo.
Tipicamente o eletrólito é uma mistura de não aquosa de carbonatos orgânicos, tais como o carbonato de etileno[2] e o carbonato de dietila[3], com iões de lítio. Habitualmente o cátodo é constituído por fosfato de lítio-ferro, óxido de lítio-cobalto ou óxido de lítio-manganês.
Sendo em corrente contínua a energia produzida e armazenada numa bateria, para ligação à rede elétrica é necessário que o sistema tenha um inversor CC/CA[4] e CA/CC, como se ilustra na Figura 1, para realizar a referida ligação.
Figura 1 – Esquema simplificado de ligações de um sistema de armazenamento com baterias de iões de lítio
Quando o nível de produção de energia é superior ao consumo, a energia produzida em excesso é utilizada para carregar as baterias, funcionando os inversores como retificadores para suprir o consumo; em situações de equilíbrio entre a energia produzida e consumida os inversores asseguram a carga de manutenção das baterias.
Nas situações em que a produção de energia elétrica é inferior às necessidades de consumos, as baterias fornecem a energia armazenada à rede elétrica e os inversores, funcionando como onduladores, transformam a corrente contínua das baterias em corrente alternada.
Os principais inconvenientes das baterias de iões de lítio residem no peso e dimensões relativamente elevados para garantir o armazenamento de quantidades de energia significativas para a rede elétrica. Por exemplo, só para alojamento das baterias, para uma potência de 90 kW e uma capacidade de 45 kWh é necessário um espaço com as dimensões de 0,60×0,65×2,20 m (cxlxh).
Este é um problema sobre o qual cientistas, engenheiros e técnicos se debruçam, procurando substituir os cabos de cobre das baterias por supercondutores[5].
Cabe aqui referir que em 2013 a União Europeia (UE) criou um instrumento financeiro para o ambiente (programa "LIFE"), no qual se inclui o projeto "LIFE BIBAT", cujo objetivo é tornar mais eficientes as baterias de iões de lítio e reduzir as suas dimensões.
OS SUPERCONDENSADORES
Os supercondensadores são condensadores eletroquímicos que têm esta designação pelo fato de, para a mesma forma e dimensões, terem uma capacidade muito superior à dos condensadores eletrolíticos, tal fato significando que podem armazenar uma maior quantidade de energia elétrica do que os condensadores habituais, com menores dimensões e massa (a relação por unidade de volume ou de massa entre a energia armazenada nos condensadores habituais e nos supercondensadores varia, de acordo com o material dielétrico utilizado entre 1 para 10 e 1 para 100).
Relativamente às baterias, os condensadores apresentam as desvantagens de terem períodos de utilização muito curtos, correspondentes ao tempo de descarga, causarem flutuações de potência na rede elétrica (o que reduz a eficiência da rede, provocando quedas de tensão e oscilações de frequência), tensões de utilização muito baixas (entre aproximadamente 2 V e 4V por unidade) e maiores dimensões para o mesmo valor da carga, o que os torna ainda inadequados para o armazenamento de energia.
Contudo, os supercondensadores permitem reduzir as dimensões das unidades de armazenamento, suportam melhor os ciclos de carga-descarga e podem contribuir para a estabilização da tensão da rede quando as centrais eólicas sofrem o efeito de rajadas de vento e as centrais fotovoltaicas são afetadas pela existência de nuvens.
Para além da utilização em equipamentos eletrônicos, como estabilizadores da tensão, as aplicações típicas mais habituais dos supercondensadores são:
Nas UPS estáticas, em substituição das baterias de condensadores eletrolíticos, reduzindo as suas dimensões e os custos de manutenção e substituição e aumentando o tempo de vida útil das baterias.
Como energia de "backup" para os atuadores das pás das turbinas eólicas, para o ajuste da inclinação das pás em caso de falta da alimentação principal.
Armazenamento de energia para os aparelhos de iluminação pública com lâmpadas LED de baixa potência, alimentados individualmente por painéis fotovoltaicos.
Para a recuperação da energia de frenagem dos motores híbridos de veículos automóveis híbridos e gruas.
Recuperação da energia de frenagem dos motores elétricos dos sistemas de metro ligeiro, o que permite dispensar a utilização da linha de contato (catenária) nos centros históricos das cidades. Em algumas cidades alemãs e da China, em certas áreas de Paris, Lyon e Genebra já existem sistemas deste tipo.
Os supercondensadores não utilizam os dielétricos sólidos convencionais, sendo constituídos por dois elétrodos imersos num eletrólito composto por uma solução orgânica (ver Figura 2), à semelhança das baterias, sendo portanto condensadores eletroquímicos, contrariamente aos condensadores convencionais, que são eletrostáticos.
Os supercondensadores são habitualmente classificados como:
– Supercondensadores de dupla camada, com elétrodos de carbono.
– Pseudo-condensadores, com elétrodos de óxidos metálicos ou de polímeros condutores.
– Condensadores híbridos, sendo os mais habituais aqueles em que o cátodo é feito de carbono ativado e o ânodo de carbono revestido com iões de lítio.
Figura 2 – Esquema simplificado de um super-condensador
O eletrólito constitui a ligação condutora entre os dois elétrodos, que podem ser simétricos ou assimétricos, o que os distingue dos condensadores eletrolíticos, em que o eletrólito é o cátodo.
Nos supercondensadores eletroquímicos existem dois elétrodos separados por uma membrana permeável aos iões (separador).
Sendo C1 e C2 a capacidade dos elétrodos, que formam um circuito de condensadores em série, a capacidade total do condensador (C) é calculada pela expressão:
C = (C1.C2) / (C1+C2)
No caso de os elétrodos serem simétricos ter-se-á C1 = C2, pelo que C = 0,5C1; com elétrodos assimétricos se C1 >> C2, então C ≈ C2.
Os supercondensadores de dupla camada são os mais utilizados, sendo os materiais mais usualmente utilizados nos elétrodos o carbono ativado e, principalmente, o grafeno, uma forma cristalina do carbono.
A tecnologia dos supercondutores tem vindo a ser investigada para otimizar as baterias de iões de lítio, tornando-as menos pesadas e menos volumosas, transformando os fios de cobre em supercondensadores, como se representa na Figura 3.
Figura 3 – Super-condensador em cobre
As características técnicas e as especificações de ensaio dos supercondutores são indicadas nas Normas IEC 62391 e 6257.
A Norma IEC 62391 define quatro classes de aplicações dos supercondutores:
a) Classe 1: "Backup" para memória de equipamentos informáticos.
b) Classe 2: Armazenamento de energia elétrica, principalmente para acionamento de motores com um período curto de utilização.
c) Classe 3: Armazenamento de energia para aplicações de potência elevada com longos períodos de utilização.
d) Classe 4: Fornecimento de potência instantânea para aplicações que requerem elevados valores da corrente elétrica, ou picos de corrente, para períodos curtos de utilização.
[1] O lítio (símbolo químico Li) é um elemento químico que pertence ao grupo dos metais alcalinos, juntamente com o sódio (Na), o potássio (K), o rubídio (Rb), o césio (Cs) e o frâncio (Fr). Reagem facilmente com a água, formando hidróxidos e libertam hidrogênio (H).
[2] O carbonato de etileno é um éster – produto da reação química ente um ácido com moléculas de oxigênio e um álcool – de ácido carbônico e etilenoglicol (um álcool produzido a partir do etileno, um hidrocarboneto) e cuja fórmula química é C3H4O3.
[3] O carbonato de dietila é um éster-carbonato de ácido carbônico e etanol (álcool etílico) e cuja fórmula química é C5H10O3.
[4] CC: Corrente Contínua. CA: corrente alternada.
[5] A supercondutividade é uma propriedade física característica específica de certos materiais que a temperaturas extremamente baixas, tendem a conduzir corrente elétrica sem resistência e sem perdas. Como é sabido a resistividade elétrica dos condutores metálicos decresce gradualmente quando se diminui a temperatura, mas esse decréscimo é limitado por impurezas e outros defeitos.
Mesmo próximo do zero absoluto (0 K), um condutor de cobre, por exemplo, tem resistência, mas num supercondutor a resistência baixa bruscamente para zero quando o material é arrefecido a uma temperatura inferior à sua temperatura crítica, podendo a corrente elétrica circular num circuito executado com supercondutores manter-se indefinidamente sem qualquer fonte de energia.