Nos fundos de uma oficina do tamanho de um depósito, cerca de uma dúzia de engenheiros de capacetes de segurança estão construindo uma gigantesca máquina azul. Seis cilindros, cada um mais alto que uma pessoa, e um emaranhado de tubos, canos e válvulas se estendem para cima a partir de um motor a diesel marinho rodeado por um andaime de três andares.
Concebida pela startup SustainX em Seabrook, New Hampshire, a máquina é projetada para armazenar energia através da compressão de ar. Um motor elétrico gira o virabrequim do motor para movimentar os pistões nos cilindros acima. Os pistões espremem uma mistura de ar e água espumosa e bombeiam o ar pressurizado para grandes tanques de aço, onde podem ser mantidos como uma mola enrolada. Quando uma concessionária de energia elétrica precisa de energia, os tanques serão destravados, permitindo que o ar saia rapidamente, ligue o motor e gere eletricidade para os clientes da concessionária.
As apostas são altas. Se uma empresa como a SustainX pode fornecer um sistema que armazene energia de maneira barata por apenas algumas horas por vez, ela transformaria a energia eólica em fornecedores de energia confiáveis, mais como usinas de combustível fóssil. Flutuações na produção de energia solar e eólica poderiam ser suavizadas e o excesso de energia de ventos noturnos, por exemplo, poderia ser despachado mais tarde, quando a demanda fosse maior.
A máquina da SustainX e outros como ela estão na vanguarda de uma corrida tecnológica em armazenamento de energia. O trabalho da empresa, apoiado por mais de US $ 30 milhões em fundos privados e governamentais, representa uma aposta que engenheiros inteligentes usando materiais baratos e facilmente disponíveis, como ar e água, vão derrotar as legiões de cientistas que estão perseguindo um avanço nas baterias.
A máquina SustainX, retratada aqui em maio de 2013, usa tecnologia isotérmica de ar comprimido para armazenar energia. (Foto: SustainX) O armazenamento de energia atrai tanta atenção, porque um avanço no custo e no desempenho pode tornar a rede elétrica mais limpa e mais confiável. Todos os dias, as concessionárias operam com um equilíbrio constante: para garantir um serviço confiável, a quantidade de energia gerada nas usinas precisa corresponder ao que está sendo consumido nas residências e empresas. Se houver um pico na demanda de aparelhos de ar condicionado em um dia quente de verão, por exemplo, as usinas de energia precisam produzir mais eletricidade e discar de volta quando a demanda diminuir à noite.
Armazenamento de energia atua como uma reserva, ou uma conta bancária de energia. Em épocas de pico de demanda, o armazenamento pode fornecer energia no lugar de usinas de combustível fóssil “de ponta”. A tecnologia pode firmar a saída variável de parques eólicos e solares ou aumentar a capacidade de subestações maximizadas que fornecem energia às vizinhanças locais. Quando colocado em ou perto de edifícios, o armazenamento de energia pode fornecer backup durante uma queda de energia. Muitas dessas aplicações, no entanto, exigem um dispositivo que possa fornecer energia por algumas horas ou talvez meio dia. E isso tem que ser feito com segurança e a baixo custo.
Para o armazenamento de várias horas, existem razões convincentes para buscar sistemas de armazenamento mecânicos em detrimento de baterias eletroquímicas, dizem executivos do setor. As baterias exigem materiais mais caros, como o lítio ou o cobalto, que podem estar sujeitos a restrições de suprimento. Ao contrário de um sistema mecânico, a capacidade de armazenamento de uma bateria recarregável diminui com o tempo, como a maioria dos usuários de laptop já experimentou.
Depois, há o ritmo da inovação. Em geral, o ritmo de desenvolvimento na pesquisa de baterias é lento - medido em anos, em vez de meses - e as melhorias de desempenho geralmente são incrementais. Além disso, fabricar novos tipos de baterias em grande volume requer grandes investimentos iniciais nas fábricas. Um sistema mecânico inovador, ao contrário, poderia ser montado a partir de motores ligeiramente modificados, tanques de gás industriais e outros equipamentos que já são bem compreendidos e produzidos em larga escala.
"É uma espécie de desafio de integração de sistemas, em vez de inventar e construir um dispositivo específico para fazer tudo funcionar", diz Gareth Brett, CEO da Highview Power Storage, com sede em Londres, que usa ar liquefeito - ar pressurizado. e resfriou até virar líquido - para armazenar energia na rede. "Nossa propriedade intelectual está em como o sistema é projetado e reunido de maneira eficiente e de baixo custo."
Quando se trata de armazenar eletricidade para uso na rede elétrica, a hidroeletricidade para armazenamento de bombas é considerada o padrão ouro - uma tecnologia relativamente barata que fornece energia nos Estados Unidos há mais de 80 anos. Como o nome indica, a água é bombeada para cima em um reservatório quando a demanda de eletricidade é baixa, e liberada quando necessário para gerar eletricidade por meio de uma turbina hidrelétrica. Usinas hidrelétricas bombeadas podem produzir grandes explosões de energia por várias horas, permitindo que os operadores da rede colmatem lacunas no fornecimento de eletricidade sem ter que usar usinas de energia que queimam combustíveis fósseis. Eles são limitados, no entanto, em terrenos montanhosos, o que proporciona o ganho de elevação necessário entre reservatórios, e as revisões ambientais demoram muitos anos.
O outro método comprovado de armazenamento a granel de baixo custo é o armazenamento de energia por ar comprimido, ou CAES, no qual compressores bombeiam ar para cavernas subterrâneas. Quando a energia é necessária, o ar pressurizado é liberado e aquecido pela queima do gás natural. Esse ar é então soprado em uma turbina para gerar eletricidade. Existem duas fábricas geológicas de armazenamento de energia de ar comprimido no mundo, incluindo uma aberta na Alemanha em 1978 e outra inaugurada no Alabama em 1991. Ambas as unidades ainda operam e são consideradas bem-sucedidas. Mas nenhum outro foi construído porque é difícil encontrar locais com uma formação geológica adequada e financiar esses projetos. Uma terceira usina poderia entrar em suas fileiras no Texas, com planos pedindo um projeto de US $ 200 milhões para armazenar até 317 megawatts - comparável à produção de uma usina de médio porte.
Inovadores em startups de energia têm se inspirado em ambas as técnicas, ramificando-se em várias direções. SustainX e Berkeley, na Califórnia, a LightSail Energy propõe comprimir ar para armazenamento, mas mantê-lo em tanques acima do solo, o que significa que eles não estão limitados a locais com cavernas subterrâneas. A General Compression, com sede em Newton, Massachusetts, desenvolveu um sistema de armazenamento de ar comprimido que se conecta diretamente às turbinas eólicas.
A principal diferença do CAES tradicional nessas abordagens, chamado armazenamento de energia isotérmica de ar comprimido, é que nenhum combustível precisa ser queimado no local. Em vez disso, essas empresas CAES de segunda geração capturam e reutilizam o calor gerado quando o ar é colocado sob alta pressão. A LightSail Energy pretende pulverizar uma fina névoa de água à medida que o ar é comprimido e armazenar essa água quente até mais tarde. Quando o ar pressurizado é liberado para gerar eletricidade, a água quente, em vez de um queimador de gás natural, aquece o ar através de um trocador de calor.
Uma abordagem CAES potencialmente mais barata é armazenar ar comprimido em sacos de tecido embaixo d'água. Ao armazenar ar em tanques de aço, o aço precisa ser espesso o suficiente para conter ar de alta pressão. Mas a pressão da água poderia fazer o trabalho - de graça. Enquanto trabalhava em uma startup de energia solar, o ex-engenheiro de foguetes Scott Frazier previu a necessidade de um sistema de armazenamento barato que pudesse ser colocado em qualquer lugar. E em 2010, ele co-fundou uma empresa, a Bright Energy Storage Technologies, para perseguir a idéia de armazenar ar comprimido em grandes bexigas ancoradas no leito oceânico ou no fundo de reservatórios de água doce.
"Se eu tiver um tanque acima do solo, você terá que pagar mais por uma pressão mais alta. Quanto mais ar bombear, mais aço eu preciso - é bastante linear", diz Frazier. O primeiro protótipo da empresa, construído para a Marinha dos EUA no Havaí, usará um motor de caminhão modificado para pressurizar o ar em tanques acima do solo. Se a mecânica dessa máquina se mostrar prática, a empresa e a Marinha planejam construir um segundo protótipo que armazene ar embaixo d'água.
Mesmo projetos de armazenamento a granel mais simples aproveitariam a gravidade da mesma forma que as estações hidroelétricas bombeadas. A Advanced Rail Energy Storage, com sede em Santa Bárbara, Califórnia, busca construir projetos em que a energia de usinas solares ou eólicas forçaria a subida de um trem de vagões quando houver pouca demanda por energia na rede. Quando a energia é mais necessária, os vagões viajam para baixo e geram energia. Os motores de tração elétrica que empurram os carros para cima correm ao contrário quando descem a ladeira e operam como geradores, da mesma forma que um carro híbrido carrega uma bateria durante a frenagem. Em um conceito similar, a EnergyCache, fundada por um engenheiro mecânico do MIT e financiada por Bill Gates, construiu um sistema de armazenamento de demonstração onde o cascalho é transportado para cima e para baixo usando equipamentos de elevação de esqui modificados.
Na área de décadas de armazenamento de hidrocarbonetos bombeados, há também novas ideias, incluindo o armazenamento de água em aquíferos ou a localização de plantas no oceano, como já aconteceu com uma empresa no Japão. Essas abordagens usam a mesma configuração básica - um reservatório artificial em um local alto próximo a um reservatório inferior - mas poderiam ser construídas em mais locais. Os mais ambiciosos são as propostas para construir uma “ilha de energia” no Mar do Norte ao largo das costas holandesa ou belga. A idéia é construir uma ilha artificial com um reservatório e usar o excesso de energia gerada por turbinas eólicas em tempos de baixa demanda para bombear água para armazenamento.
Todas essas inovações começam com materiais baratos, mas acabam por se deparar com o mesmo desafio de engenharia: eficiência. Se muita energia é perdida convertendo eletricidade em ar comprimido ou água armazenada e de volta, os custos sobem. Nesta área, as baterias competem muito bem: alguns tipos são mais de 90% eficientes em carga e descarga.
O truque, então, para armazenamento mecânico, é aumentar a eficiência do maior número possível de maneiras. Com armazenamento de ar, isso geralmente significa um melhor aproveitamento do calor. Enquanto os desenvolvedores CAES isotérmicos, como o LightSail, capturam o calor gerado pela compactação do ar, outros inovadores estão colhendo calor de fontes externas que, de outra forma, seriam desperdiçadas. Em seu projeto de demonstração perto de Londres, a Highview Power Storage canaliza em calor residual de uma usina próxima ao converter ar líquido armazenado em gás de alta pressão, o que transforma uma turbina em eletricidade. Usando uma variedade de técnicas, mesmo armazenando ar frio no cascalho para ajudar no processo de resfriamento, a Highview Power Storage pode obter eficiência de conversão de energia para mais de 70%, diz ele.
A planta piloto de armazenamento de energia de ar de 300 quilowatts (LAES) da Highview em Slough, Reino Unido. (Foto: armazenamento de energia Highview) Um sistema mecânico não consegue igualar as melhores baterias em termos de eficiência, mas isso não é o objetivo, diz Richard Brody, ex-vice-presidente de desenvolvimento de negócios da SustainX. Mais importante, especialmente para aplicações de armazenamento de várias horas, é o custo inicial relativamente baixo e o fato de que os sistemas mecânicos podem funcionar por décadas sem perder a capacidade de armazenamento. Uma máquina bem sintonizada com ingredientes básicos - aço, ar, água e cascalho - não degradará a maneira como os compostos químicos nos eletrodos da bateria fazem com o tempo, dizem os defensores do armazenamento mecânico. "Não vimos nenhuma tecnologia eletroquímica [de baterias] que possa fazer o que podemos fazer na escala e na vida do sistema de que estamos falando", diz Brody. "Achamos que é impraticável fazer coisas em escala de megawatts com qualquer um desses sistemas de baterias baseados em células."
Dado o potencial de armazenamento generalizado de energia na rede, as abordagens que utilizam materiais de baixo custo continuam a atrair uma atenção séria. Além de várias startups, muitos pesquisadores estão trabalhando em ar comprimido ou liquefeito. A Universidade de Birmingham, no Reino Unido, por exemplo, criou um centro de pesquisa para armazenamento de energia criogênica e um consórcio liderado pela concessionária alemã RWE comprometeu 40 milhões de euros (US $ 53 milhões) ao longo de três anos e meio para desenvolver um CAES de alta eficiência. sistema que armazenará o calor do processo de compressão em grandes recipientes semelhantes a termos térmicos preenchidos com material cerâmico.
Esse ramo da tecnologia de armazenamento também poderia ajudar no transporte. A empresa de engenharia Ricardo tem dois projetos para explorar como o ar liquefeito pode melhorar a eficiência dos motores de combustão interna. A Peugeot Citroën, entre outras montadoras, está buscando um método para usar um tanque de armazenamento de ar comprimido para atuar efetivamente como uma bateria em um carro híbrido de passageiros. Grande parte do apelo é a disponibilidade imediata de peças e infraestrutura, diz o Dr. Andrew Atkins, engenheiro-chefe de tecnologia da Ricardo. "Você não tem problemas com a cadeia de fornecimento", diz ele. "Afinal, o ar é tudo sobre nós."
