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Sistemas de armazenamento de energia para mobilidade e sistemas estacionários no Brasil

Publicado em 20 janeiro 2021

Por comciencia

Por Hudson Zanin e Leonardo Morais da Silva

Estamos vivendo agora um movimento acelerado de eletrificação dos transportes e modificação da composição da matriz energética global. Mesmo assim, faz sentido pensar em veículos elétricos no Brasil? E no mundo? Se sim, em quais cenários? Quais os motivos e os principais atores por detrás dessa transformação que está acontecendo?

O aquecimento global é um fato. A terra já aqueceu 1 grau Celsius nos últimos 100 anos e estamos caminhando para 2 graus Celsius nos próximos 30 anos. Espera-se que até final do século 21 o aquecimento possa chegar em até 6 graus Celsius se não modificarmos o modo de vida atual, diz o último relatório do Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas (IPCC, em inglês) de especialistas consultados pela ONU [1]. A causa apontada é a emissão de gases como o dióxido de carbono (CO2) que causa um efeito estufa, ou seja uma camada de gases que permite que a radiação do sol atravesse e aqueça a Terra, mas inibe que as ondas de calor emitidas pela Terra escapem do planeta e o resfriem. Funciona como o carro estacionado no Sol quente, a luz solar aquece o interior e a para-brisas frontal não deixa a radiação sair, preparando aquela sauna para quando você voltar. De fato, o aquecimento da Terra não tem explicação única no efeito estufa. Lembre-se que os cientistas sempre criam modelos para descrever um problema e logo não existe modelo único. Existem modelos que tratam a Terra como um ser vivo que já passou por processo severo de aquecimento e resfriamento ao longo de milhares de anos, e esses foram processos independentes da atividade humana. Ao longo de sua longa história, o clima mudou por diversos motivos que foram decorrentes da mudança da atividade solar para mais ou menos intensa, mudanças sutis na órbita terrestre, mudança na atmosfera por evaporações vulcânicas etc. Mas no século passado, outra força começou a influenciar o clima da Terra: a humanidade com sua Revolução Industrial [2]. Existem correntes que competem quanto à origem do aquecimento global. De fato, este texto não objetiva tomar posições, mas apenas alertar o leitor que não existe um único ponto de vista.

Independente da causa em si do aquecimento global, a emissão de CO2 é indiscutivelmente um problema de saúde pública. O CO2 causa problemas à saúde humana, principalmente em grandes centros onde a sua emissão, juntamente com nanopartículas de carbono, é extremamente elevada por conta da indústria e do transporte, reduzindo o Índice de Qualidade do Ar (IQA) e causando doenças respiratórias e até mesmo câncer. Os transportes respondem por, aproximadamente, 70% do CO2 que é emitido na atmosfera em São Paulo, por exemplo [3]. Dentro deste contexto, seria sim importante e indiscutível essa transformação na nossa forma de locomoção urbana. Contudo, isso não pode acontecer sem um debate e organização de uma força tarefa que atue em diferentes frentes para transformação de vários setores da sociedade, que é complexa e regida por interesses diversos. O petróleo é uma das commodities mais importantes do mundo desde a pós-revolução industrial em quantidade, valor total e atividade estratégica, e muitos países são dependentes dessa matéria-prima. Do petróleo produzimos gasolina, diesel, asfalto, lubrificantes, tintas, plásticos entre milhares de outras tecnologias que utilizamos no estilo de vida moderna. Países como Estados Unidos, Arábia Saudita, Rússia, Canadá, Iraque, Brasil, Venezuela, entre outros, são países naturalmente abençoados (ou amaldiçoados) com uma reserva natural gigantesca dessa commodity. Além da possibilidade da exportação direta dessa commodity, o refinamento de petróleo, que agrega maior valor à matéria-prima, gera uma cadeia imensa de produtos e riquezas para o país. (OBS. Nem sempre o fato de haver grandes reservas de petróleo é sinônimo de riqueza no país. Conflitos de origem interna ou externa têm causado mais problemas do que solução em diversos exemplos ao redor do mundo, por exemplo, Venezuela, Iraque, Arábia Saudita etc.). Por outro lado, o petróleo gera um “desbalanço da balança” comercial para os países dependentes da commodity, além de gerar incertezas devido à instabilidade política dos países produtores. Para mitigar essa problemática, os países dependentes guiados pelo Japão, Coreia do Sul, Alemanha e superpotências produtoras de petróleo como China (BYD) e Estados Unidos (TESLA) têm avançado consideravelmente no desenvolvimento de veículos elétricos. Uma das grandes vantagens dos veículos elétricos são seus motores, que são muito mais eficientes na conversão energética do que os motores de combustão interna, são praticamente livres de ruídos sonoros e não emitem CO2 na atmosfera. Inúmeros países já informam que não produzirão veículos a combustão interna a partir de 2030, e a maioria dos países desenvolvidos não produzirão após 2050. Novamente, independente das causas serem as apontadas ou não, a realidade é essa e seremos atropelados se não corrermos juntos.

É muito importante contextualizar o leitor no fato de que a modificação dos veículos a combustão interna aos movidos por motores elétricos é uma tarefa complexa, não apenas de engenharia de mudança/adaptação dos veículos e do problema da limitação das baterias, mas também pela modificação na infraestrutura de carregamento dos veículos. Primeiro, só faz sentido substituir carros movidos a combustível fóssil ou bioetanol por carros movidos a motor elétrico se, e somente se, tivermos energia elétrica limpa e abundante na rede para recarregamento dos veículos, e fazer isso não é tarefa trivial. Na verdade, está aí a maior dificuldade. Não faz sentido um carro que não emite CO2 na rua, mas é carregado na tomada por energia proveniente de termoelétricas. Mesmo se a energia for limpa por sua destinação final (consumidor), pensemos no exemplo hipotético da frota brasileira ser elétrica em 2020. A recarga simultânea de 66 milhões de veículos [4] causaria um colapso no sistema nacional de energia: apagão que não acaba mais. A potência de recarga de um carro elétrico chega a, aproximadamente, 60 kW [5], o que representa pelo menos 10 chuveiros ligados ao mesmo tempo. Para começar, nossas casas não estariam preparadas para isso, e tampouco o sistema nacional de energia elétrica, se grande parte resolvesse carregar de uma só vez. Se não houver planejamento apropriado, pensando no custo de geração e distribuição, essa transformação na matriz energética não acontecerá no Brasil. Para tal, temos que transformar o sistema elétrico atual e aumentar o fornecimento de energia em pelo menos 3 vezes.

A rede elétrica necessária deverá incorporar energias renováveis, com diversificação de produção e smart grids para achatar o pico de demanda. Atualmente, a matriz elétrica mundial é composta majoritariamente por energias não renováveis, sendo cerca de 70% baseada no uso de combustíveis fósseis como carvão, óleo e gás natural que são queimados em termelétricas [6]. Do outro lado, o Brasil é um ótimo exemplo e estamos de parabéns. Aqui, cerca de 70% da nossa matriz elétrica distribuída nas linhas de transmissão é proveniente de hidrelétrica e 6% de eólica. Segundo alguns cenários [7], a geração eólica vem crescendo bastante e poderá representar cerca de 50% da matriz elétrica em 2050. Para que isso de fato ocorra, a matriz elétrica mundial precisa continuar com o processo intenso de reestruturação. Estruturalmente, a incorporação dos combustíveis renováveis na rede de abastecimento requer cuidados especiais, uma vez que não há casamento entre a oferta e a demanda de energia. Em outras palavras, as energias renováveis são intermitentes, ou seja, o vento e o sol não aparecem necessariamente toda vez que precisamos ligar a luz ou o ar condicionado. Algumas alternativas como produção local em sistema integrado nacional têm sido estudadas e empregadas. No Brasil, nós temos as hidrelétricas e as bacias das hidrelétricas funcionam como “grandes baterias” fornecendo energia ao sistema quando há demanda. A integração vai sim equalizar a produção com demanda e as hidrelétricas são excelentes opções para solucionar esse problema. Mas tudo tem limite, principalmente quando as fontes renováveis constituírem a maior parte da matriz elétrica. Outro ponto a ser considerado é que a rede em si é bastante onerosa. As linhas de transmissão e subestações têm custo elevado, o qual é atrelado ao valor de pico de energia que o sistema deve atender. Tudo é planejado para que não falte energia na hora de maior demanda. Por isso, sistemas de armazenamento de energia desconectados da rede e baseados no uso de baterias ao longo de rodovias e comunidades isoladas têm sido estudados e podem ser uma solução viável caso os custos com as baterias estacionárias continuem a cair.

Sistemas off grid, ou seja fora da rede elétrica, podem ser excelentes soluções para evitar o pico na rede que poderia ser causado por dezenas de veículos carregando simultaneamente em centrais de recarga de veículos elétricos, por exemplo. Estes mesmos sistemas de armazenamento energético estacionários podem ser solução para evitar a interrupção de energia em hospitais, em sistemas de defesa da Marinha, Exército e Aeronáutica etc.

Por isso, dentro desse cenário, tratamos a seguir sobre algumas tecnologias para o armazenamento de energia em sistemas estacionários e também para mobilidade.

Armazenamento de energia em sistemas estacionários

Quando a densidade de energia não for o fator mais importante, sistemas de armazenamento de energia grandes do tamanho de um contêiner podem ser montados como opções melhores no que se refere ao custo-benefício, impactos ecológicos e maior segurança. Nós iremos apresentar agora algumas tecnologias de armazenamento de energia estacionárias focando nas que consideramos mais promissoras. Dentre as tecnologias com energia reversível trataremos sobre as Baterias de Fluxo Redox e, para sistemas irreversíveis, as Células a Combustível.

Figura 1: Representação esquemática de sistemas eletroquímicos. (a) Bateria de fluxo; (b) célula a combustível; (c) baterias de íons de Li; e (d) supercapacitores.

Baterias de Fluxo Redox (RFB, redox flow batteries)

Este tipo de bateria é desconhecido pela maioria do grande público, mas é uma das mais promissoras para armazenamento de energia em média e grande escala na forma estacionária. Nas RFB, a energia limpa proveniente de fontes eólicas e solares é quimicamente armazenada em dois compartimentos separados (tanques) através das reações de oxidação e redução envolvendo os íons dissolvidos num dado eletrólito. Assim, a energia armazenada pode ser apropriadamente liberada na devida quantidade conforme a demanda da rede de abastecimento através da reação eletroquímica espontânea que resulta no descarregamento das RFB (veja Figura 1a). Basicamente, como em quase todos os sistemas eletroquímicos armazenadores de energia constituídos de 2 eletrodos, temos anodo, catodo, eletrólito e membrana de troca iônica. Anodo e catodo são os constituintes da bateria onde a oxidação e redução acontece, respectivamente. No caso das RFB, temos dois eletrodos de carbono (grafite, fibra de carbono etc.) que são quimicamente estáveis. Os eletrodos ficam imersos em eletrólitos aquosos ou orgânicos contendo íons dissolvidos de metais como vanádio, ferro, cromo, cério etc., que, ao receberem energia da fonte externa renovável, modificam seu número de oxidação, armazenando assim energia química. Na condição dinâmica de carga das RFB, os eletrólitos (anólito e católito) são continuamente bombeados para dentro da célula eletroquímica contendo os eletrodos onde as espécies químicas são constantemente oxidadas e reduzidas até se obter a carga máxima da bateria. Isso ocorre sem que haja contaminação dos tanques anódico e catódico com os diferentes íons oxidados e reduzidos durante a etapa de carga. Para isso, membranas especiais atuando como separadores iônicos são utilizadas para evitar o contato entre anólito e católito. Após carregadas, as RFB são capazes de manterem armazenada a energia recebida por longos períodos até que haja necessidade de sua descarga parcial ou quase total para atender as demandas da rede. Nessa ocasião, tem-se, durante a recirculação dos íons armazenados nos dois reservatórios, que a energia química armazenada seja então enviada à rede de distribuição com eficiência energética de até 80%, aproximadamente, já considerando-se os gastos energéticos internos inerentes ao sistema RFB devido ao sistema de bombeamento e o sistema de controle eletrônico. As RFB têm a grande vantagem de permitirem o total desacoplamento entre energia estocada (carga redox nos dois tanques) e potência (energia liberada nos eletrodos). Isso significa que é possível dimensionar a energia a ser armazenada modificando-se o volume dos tanques e a concentração dos eletrólitos, ao passo que a potência dissipada pela RFB pode ser otimizada variando-se a área dos eletrodos porosos imersos no católito e anólito e da corrente de descarga, bem como através da manipulação do estado redox das espécies presentes nos eletrólitos que resultam numa dada força eletromotriz para a bateria. Cada célula da RFB gera entre 0,9 a 1,7 V. Para aumentar a voltagem do dispositivo, comumente efetua-se a associação em série de diversas células idênticas. Portanto, devido à versatilidade das RFB, pode-se instalar sistemas estacionários armazenadores de energia para atender demandas diversificadas que vão desde uma residência comum até uma subestação inteira de grande porte que visa prover uma comunidade e/ ou distrito industrial.

Célula combustível

Para dar uma ideia para o leitor, as células a combustível comumente utilizam hidrogênio (combustível) e oxigênio (comburente/oxidante) que são combinados nas interfaces de dois eletrodos (catalisadores) porosos difusores de gases para formar água e liberar um fluxo espontâneo de elétrons capaz de realizar trabalho útil. Embora haja tipos diversos de células a combustível, todas consistem de ânodo, cátodo e eletrólito para transporte dos íons gerados na reação eletroquímica. Geralmente, íons de hidrogênio com carga positiva (prótons) se deslocam através do conjunto eletrodo-membrana para reagir com o oxigênio presente no compartimento catódico resultando na formação de moléculas de água (veja desenho na Figura 1 b) [8]. Células a combustível individuais geram apenas uma baixa voltagem de ~0,7 V. Por isso, são comumente associadas em série para aumentar a voltagem com eficiência energética durante a descarga que varia entre 40% e 60%, podendo chegar a 85% caso o calor residual seja capturado e utilizado em cogeração de energia [8].

A energia limpa gerada pode ser então utilizada em sistemas estacionários ou veículos elétricos. No caso estacionário, as células combustíveis, bem como as RFB, estão passando por um processo de aprimoramento na cadeia produtiva para reduzir custos de fabricação de vários componentes, como é o caso de eletrodos e membranas trocadoras de íons.

Armazenamento para mobilidade de veículos leves

Continuando com as células combustível, mas para o caso da mobilidade, o grande problema desta tecnologia é o transporte ou produção/reforma do H2 no veículo. Sobre o transporte H2 em cilindros, a segurança envolvida no transporte de cilindros pressurizados e potencialmente explosivos é um problema. Colisões podem ocorrer e levar a explosões. A alternativa é a reformulação de combustíveis renováveis em H2 e assim não transportar H2 em quantidades perigosas. Dentro deste cenário, uma outra opção seria a reforma do etanol no próprio tanque do veículo e então reformado em H2 para injeção na célula. A renovação de 7,6 L de etanol pode produzir 1 L de hidrogênio e permitir um deslocamento de 150 km. Certamente seria um grande avanço ao mercado nacional se tal tecnologia se consolidasse, pois seria uma solução tupiniquim. Embora esta tecnologia esteja em forte transformação e com grandes promessas, as células combustíveis ainda são mais empregadas em sistemas estacionários.

Baterias de Li+

As baterias de íons Lítio são as soluções mais modernas no que se refere a densidade de energia versus ciclabilidade. Isso graça às características do Li. O Li é um elemento que fica na família 1A da Tabela Periódica, próximo ao hidrogênio. Este metal alcalino incorpora um átomo bem pequenininho, na verdade o menor deles, por isso ele tem facilidade de intercalar, ou seja, penetrar em fendas bem estreitas como é o caso daquelas encontradas em folhas de grafite. Mas então como essas baterias de Li+ funcionam?

As células da bateria de íons Li são compostas por dois eletrodos, onde um é o ânodo e outro é o cátodo, onde ambos são preenchidos com solução líquida ou eletrólito sólido. O ânodo é o eletrodo onde ocorre a oxidação, o que significa que doa elétrons, e o cátodo é o eletrodo onde ocorre a redução, o que significa que recebe elétrons. O eletrólito não conduz elétrons, mas sim íons como Li+ (Li -> Li+ + e–). Os elétrons que fluem entre os eletrodos passam para o circuito externo onde o trabalho útil pode ser realizado. O processo de carga ocorre mediante intercalação do íon de Lítio (Li+) que, por exemplo, entra no interior das folhas de grafite (anodo de Carbono) formando o composto LiC6. Para isso, necessita-se dos elétrons provenientes da fonte/tomada (vejas as bolinhas vermelhas na Figura 1c). A descarga envolve a liberação deste elétron/carga e o retorno do Li+ ao óxido metálico (catodo). O problema destes sistemas é a capacidade de ciclagem ainda bastante limitada devido a fenômenos irreversíveis diversos que ocorrem dentro da célula eletroquímica. Isso faz com que a energia armazenada e então liberada pelo dispositivo decaia gradativamente a cada vez que este é utilizado. Desta forma, os avanços tecnológicos com as baterias de íons Li envolvem o desenvolvimento de eletrodos que permitam alta corrente de carga mantendo a capacidade e com elevada ciclabilidade. Existem vários tipos de catodos e alguns exemplos são combinações de metais/óxidos metálicos do tipo NMO, NMC e NCA com alto teor de níquel. N representa (Ni), M manganês, O oxigênio, C cobalto, T titânio e A alumínio. No caso do anodo, um exemplo de destaque é o NTO com diferentes texturas micro porosas e composições distintas. Diferentes eletrólitos orgânicos e sólidos (não inflamáveis) são estudados, e uma resolução está por vir se os eletrólitos sólidos de fato forem bons condutores elétricos, pois permitirão a utilização de Li metálico no Catodo, sem a formação de dendritos (fios de Li que formam e causam curto circuito na célula durante a ciclagem carga-descarga) alcançando limite de 200 Wh/kg por célula. Para aumentar a capacidade de uma única bateria no mesmo espaço físico (lembre-se que para um veículo a questão da massa/peso é fundamental), as baterias de Li-S são as mais promissoras. A densidade energética do sistema Li-S tem potencial de ser 3 vezes maiores do que o limite teórico alcançado pelas melhores baterias de íons Lítio. Estas baterias são conhecidas como baterias de conversão e utilizam Li no cátodo e Enxofre no ânodo. O eletrólito tem Sn2+ (estanho) e Li+, e LiS8 é convertido em vários intermediários até formar Li2S. O problema tecnológico a ser vencido aqui é referente a melhoria da ciclabilidade dessas baterias. Além destes sistemas de intercalação e conversão, sistemas muito mais simples e com elevada potência e ciclabilidade são os Supercapacitores. Estes dispositivos fazem uso de processos eletrostáticos de adsorção e dessorção íons que ocorre em segundos sobre eletrodos de carbono com elevada área superficial. Em outras palavras, os íons da solução aderem e afastam-se de eletrodos porosos propiciando capacitâncias de ~100 Farad por grama de material. Para ilustrar, capacitores convencionais usados na eletrônica apresentam baixas capacitâncias da ordem de 5 micro (10-6) Farad por cm2. Os Supercapacitores são excelentes para atuação em frenagem regenerativa, pois aceitam bem a elevada potência e cerca de um milhão de ciclos (aí sim estamos falando de excelentes ciclagens). No entanto, estes ainda possuem capacidade de armazenar energia 30 vezes menor do que uma bateria de Li+. Logo, Supercapacitores e Baterias são tecnologias complementares com diferentes comportamentos, ou seja, não se almeja a substituição de um pelo outro em aplicações.

Devemos lembrar no panorama que estamos. O Li é um mineral com reservas estratégicas localizadas no Chile, Bolívia, China, Austrália e, mais recentemente, numa grande reserva natural encontrada no Reino Unido [10]. O mundo não quer sair da dependência do petróleo para a dependência do Li. Ainda mais, só faz sentido pensar em veículos elétricos se as matrizes elétricas dos países forem modificadas. Que sentido faz termos carros elétricos na China se a energia elétrica vem de termelétricas que queimam carvão? Mas vale a reflexão que talvez não faça sentido hoje, mas para um país que tem o maior parque renovável do mundo, pode ser que em cerca de 30 anos sua matriz elétrica seja neutra a emissão de CO2. Grandes empresas do petróleo, Shell, e de mineração, Vale, por exemplo, fizeram acordos para neutralizar a emissão de CO2 em 2050. Neste contexto, todo o desenvolvimento tecnológico citado acima fará sim sentido. O que, de fato, nós gostaríamos de trazer ao leitor é que a transformação na matriz energética brasileira e mundial tem que ser enxergada como uma cadeia de elos indestrutíveis, porque são uma combinação importante de ações que só o Estado forte aliado ao setor produtivo terá poder de arquitetar.

Hudson Zanin é professor na Faculdade de Engenharia Elétrica da UNICAMP onde atua na pesquisa e no desenvolvimento de armazenadores de energia. Entusiasta do desenvolvimento nacional, o professor é o fundador da primeira manufatura de baterias e supercapacitores do hemisfério Sul. Atua como pesquisador no Centro de Inovação em Novas Energias (CINE).

Leonardo Morais da Silva é professor na UFVJM (MG). Coordenador do Laboratório de Eletroquímica Fundamental e Aplicada da UFVJM. Agraciado em 2004 com o prêmio científico Jovem Autor da “International Society of Electrochemistry – Suíça”. Revisor destaque em 2018 pela Editora Elsevier – Holanda. Prêmio Henrique Dumont de Inovação em 2012 concedido pela Agência Univales. Atua como colaborador no Centro de Inovação em Novas Energias (CINE).

Agradecimento

Os autores agradecem o apoio da FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, processo número 2017/11958-1), a Shell e a importância estratégica do apoio da ANP (Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis), por meio do regulamento da Taxa de P&D.

Referências

[1] https://www.greenpeace.org/brasil/blog/ou-agimos-agora-ou-sera-tarde-demais/?utm_term=o%20aquecimento%20global&utm_campaign=%5BMAIO/20%5D+Mudan%C3%A7as+Clim%C3%A1ticas+(25+a+65+anos)&utm_source=adwords&utm_medium=ppc&hsa_acc=7235609613&hsa_cam=10021110653&hsa_grp=102663243482&hsa_ad=437670223648&hsa_src=g&hsa_tgt=kwd-310625624343&hsa_kw=o%20aquecimento%20global&hsa_mt=b&hsa_net=adwords&hsa_ver=3&gclid=CjwKCAiA8Jf-BRB-EiwAWDtEGjYAllE_7lEcfYN4X58b3qXihcdmBidJttKLI3CHl9PoPdST2bjkaBoCuMkQAvD_BwE

[2] https://earthobservatory.nasa.gov/features/GlobalWarming#:~:text=What%20is%20Global%20Warming%3F,by%20people%20burning%20fossil%20fuels.

[3] https://exame.com/brasil/carros-representam-726-da-emissao-de-gases-efeito-estufa-em-sp/#:~:text=Um%20estudo%20in%C3%A9dito%20lan%C3%A7ado%20pelo,por%20ve%C3%ADculos%20motorizados%20na%20capital.

[4] http://www.automotivebusiness.com.br/abinteligencia/pdf/estudo_frota_completo.pdf

[5] https://insideevs.uol.com.br/features/379522/conector-tomada-recarga-tipos/#:~:text=Tesla%20Charging,-Como%20diz%20o&text=J%C3%A1%20os%20Superchargers%20usam%20corrente,com%20conectores%20CCS%20Tipo%202.

[6] https://www.epe.gov.br/pt/abcdenergia/matriz-energetica-e-eletrica#:~:text=A%20gera%C3%A7%C3%A3o%20de%20energia%20el%C3%A9trica%20no%20mundo%20%C3%A9%20baseada%2C%20principalmente,e%20g%C3%A1s%20natural%2C%20em%20termel%C3%A9tricas.&text=A%20matriz%20el%C3%A9trica%20brasileira%20%C3%A9,Brasil%20vem%20de%20usinas%20hidrel%C3%A9tricas.

[7] https://about.bnef.com/

[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell

[9] https://www.researchgate.net/publication/315534024_Case_Studies_of_Energy_Storage_with_Fuel_Cells_and_Batteries_for_Stationary_and_Mobile_Applications

[10] https://www.bbc.com/future/article/20201124-how-geothermal-lithium-could-revolutionise-green-energy

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