Armazenamento de Energia Térmica
Um Olhar Mais Atento Às Opções
A necessidade de uma maior dependência das energias renováveis surge regularmente à medida que tentamos combater as alterações climáticas. O último acordo da COP28 explicitou-o claramente, apelando à triplicação da capacidade de produção de energias renováveis e à duplicação das melhorias da eficiência energética até 2030. Trata-se de uma ambição ousada, mas necessária para se chegar perto de atingir os objectivos de emissões líquidas nulas (net zero) nos prazos necessários.
Um assunto que é frequentemente esquecido é a melhor forma de gerir a imprevisibilidade do fornecimento de energia renovável. E, quando é discutido, centra-se frequentemente em questões de alto nível, como a distribuição da rede e o fornecimento de energia a nível nacional. No entanto, as expansões das redes de transporte e distribuição de electricidade podem demorar até 15 anos a entrar em vigor. Com a necessidade de acção imediata para limitar o impacto das alterações climáticas, é urgente olhar para além da produção centralizada de energia e para a produção localizada de calor.
Os picos e depressões no fornecimento de recursos eólicos e solares, e o aumento considerável da procura à medida que o calor é electrificado, significa que faz sentido procurar oportunidades para novas sinergias entre os sectores da energia e do calor.
O armazenamento de energia térmica (TES) e outras formas de armazenamento de energia de longa duração (LDES) são duas vias prometedoras para maximizar o potencial de uma situação em evolução.
É evidente a necessidade de adoptar métodos de TES à medida que prosseguimos a nossa viagem rumo a um futuro mais sustentável. E, à medida que as tecnologias evoluem para satisfazer esta procura, vale a pena considerar o impacto mais amplo que estas opções podem ter no nosso ambiente, para além de factores como os custos de capital, a eficiência e a produção de energia. Neste ponto, analisamos duas alternativas e consideramos algumas destas questões.
ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA CALOR: BATERIAS CONVENCIONAIS
Actualmente, as formas mais comuns de armazenamento de energia para o calor são o armazenamento térmico, através do armazenamento de calor sensível e latente utilizando materiais de mudança de fase (PCM), e o armazenamento termoquímico. As opções de armazenamento electroquímico dividem-se em duas categorias: condensadores e baterias. Embora os condensadores ofereçam uma maior eficiência e uma maior duração de vida em comparação com as baterias, transportam muito menos carga por unidade e por massa.
As baterias também têm sido objecto de muita investigação sobre a sua utilização em sistemas de armazenamento de energia, incluindo a integração com sistemas de tecnologias renováveis.
As Baterias de Fosfato de Ferro e Lítio (LIPB) foram objecto de vários estudos que avaliaram a sua utilização, nomeadamente em parques eólicos, para armazenar energia a utilizar quando o vento não sopra. A sua eficiência melhora drasticamente quando é utilizada mais do que uma bateria, permitindo ciclos completos de carga e descarga.
Outros trabalhos centraram-se na melhoria da sua eficiência, por exemplo, controlando a sua temperatura de funcionamento através da utilização de tapetes térmicos, ou analisaram o seu impacto no ambiente através de avaliações do ciclo de vida (ACV).
UMA NOVA ALTERNATIVA: A BATERIA A VAPOR
Na Spirax Sarco, juntamente com os colegas da Chromalox, desenvolvemos uma forma inovadora de TES: a SteamBattery (BateriaVapor). Esta armazena o calor gerado por um aquecedor eléctrico imerso como água quente a alta pressão num recipiente bem isolado.
Quando é necessário vapor da SteamBattery, este é retirado do espaço de enchimento (gás) do recipiente e é utilizado directamente como vapor ou indirectamente através de um permutador de calor para ligação a um sistema de aquecimento "húmido". O vapor condensado é devolvido ao recipiente. À medida que o vapor é utilizado, a pressão baixa até ao ponto em que a SteamBattery fica totalmente descarregada.
É recarregada pelo aquecedor eléctrico imerso, que pode utilizar electricidade proveniente de fontes renováveis directas ou da rede, quando está disponível energia renovável de baixo custo. Pode descarregar vapor e ser carregado em simultâneo, o que lhe confere flexibilidade na sua utilização e como armazenamento tampão. Capaz de carregar completamente em 8 horas, é capaz de o fazer durante a noite.
Considerar o impacto ambiental mais alargado
Utilizando a literatura actual sobre as LIPB, juntamente com o nosso modelo, e os estudos existentes para a SteamBattery, o nosso objectivo foi comparar o impacto ambiental destas duas soluções de armazenamento de energia. Houve algumas limitações, devido aos limites estabelecidos pelos estudos às LIPB; nomeadamente uma abordagem "do berço ao portão" que não considera nem o seu transporte nem a sua eliminação em fim de vida.
Uma vez estabelecida a fronteira do sistema, foi possível avaliar uma série de impactos ambientais comparativos. Devido às diferenças entre os modelos utilizados no estudo das LIPB e no estudo da SteamBattery, verificámos que 10 dos 18 modelos do estudo das LIPB permitiam uma comparação directa.
Gases com efeito de estufa (GEE):
Estes são os mais relevantes para o impacto das alterações climáticas e são medidos em kg de equivalência de dióxido de carbono. Os resultados mostram que a SteamBattery emitiria 8,58 kg/1000 kWh de energia armazenada ao longo do seu tempo de vida, enquanto a LIPB emitiria 16,10/1000 kWh ao longo do seu tempo de vida. Efectivamente, a SteamBattery tem metade das emissões de CO2 da LIPB ao longo da sua vida útil.
Efeito nos ecossistemas:
Examinámos seis categorias de impacto ambiental, incluindo as que abrangem a ecotoxicidade e a eutrofização em ambientes marinhos e de água doce, bem como a acidificação e a ecotoxicidade em ambientes terrestres. Tanto para os ambientes de água doce como para os ambientes marinhos, a SteamBattery foi considerada 95% menos impactante em comparação com a LIPB. Este facto deve-se em grande parte ao processo de fabrico da placa catódica necessário para o LIPB.
Quando se olha para os impactos terrestres, surge uma imagem diferente. A produção de dióxido de enxofre da SteamBattery foi 83% inferior à da LIPB. No entanto, o seu equivalente de diclorobenzeno era mais elevado do que o LIPB. Uma análise mais aprofundada, considerando as cargas de impacto de ambos os produtos nas diferentes categorias ambientais, concluiu que se tratava de uma área susceptível de ser melhorada e não de uma falha grave.
A avaliação destacou ainda o reduzido impacto da SteamBattery nos recursos naturais, como os combustíveis fósseis e a água. Em particular, as cargas ambientais mais elevadas foram predominantemente associadas ao LIPB, em especial no que respeita à ecotoxicidade marinha e de água doce, ao passo que o impacto mais significativo da bateria a vapor foi consideravelmente menor no que respeita à ecotoxicidade terrestre.
À medida que cresce a necessidade de sistemas de vapor sustentáveis, há um imperativo claro de considerar mais do que simplesmente evitar os combustíveis fósseis. A resiliência e o futuro do planeta dependem de uma série de outros factores, com as considerações ambientais no topo da lista.
Este estudo inicial mostra que deve ser sempre considerada uma análise mais holística das opções potenciais antes de serem tomadas decisões finais.
Fonte:
Borbala Rebeka David, Sean Spencer, Jeremy Miller, Sulaiman Almahmoud, Hussam Jouhara: ((Avaliação comparativa do ciclo de vida ambiental do sistema de armazenamento de energia convencional e do sistema inovador de armazenamento de energia térmica, 2021)
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