Impulsionados pela produção de energia a partir de fontes renováveis, veículos eléctricos e armazenamento global de energia Nos últimos anos, registaram-se grandes progressos em vários tipos de tecnologias de armazenamento de energia.
No final de 2018, a capacidade instalada global da tecnologia de armazenamento de energia em bateria era de 6058,9 MW, dos quais a capacidade instalada da China era de 1033,7 MW, e os Estados Unidos, a China e a Coreia do Sul ocupavam os três primeiros lugares.
Com base no desenvolvimento atual da indústria, este artigo analisa as principais tecnologias de armazenamento de energia, a aplicação no mercado, os problemas e os desafios.
Tecnologias típicas de armazenamento de energia em baterias
As tecnologias de armazenamento de energia em baterias incluem principalmente baterias de chumbo-ácido, baterias de iões de lítio, baterias de fluxo, baterias à base de sódio e outros tipos de tecnologias de armazenamento de energia em baterias.
Bateria de chumbo
As baterias de chumbo-ácido utilizadas em projectos de armazenamento de energia incluem baterias de chumbo-ácido e baterias de chumbo-carbono. A bateria de chumbo-carbono é uma melhoria capacitiva do material do elétrodo negativo com base na tradicional bateria de chumbo-ácido, o que melhora significativamente o ciclo de vida da bateria.
Nos últimos anos, a aplicação de baterias de chumbo-ácido no domínio da armazenagem de energia baseia-se principalmente em baterias de chumbo-carbono com um custo mais baixo por quilowatt-hora, especialmente em Jiangsu, Guangdong, Pequim e outros locais onde a diferença de preço da eletricidade entre o pico e o vale industrial e comercial é relativamente elevada.
Bateria à base de sódio
As baterias à base de sódio utilizadas em projectos de armazenamento de energia incluem baterias de sódio-enxofre de alta temperatura, baterias de sódio-níquel e baterias de iões de sódio aquosas à temperatura ambiente.
A bateria de sódio-enxofre é um representante típico das baterias à base de sódio e é a tecnologia de armazenamento de energia mais madura em sistemas de armazenamento de energia que funcionam a altas temperaturas (350-400 °C).
As empresas industriais lideradas pela japonesa NGK implementaram mais de 430 MW de projectos de armazenamento de energia no Japão, Estados Unidos, Emirados Árabes Unidos, Alemanha, Itália, França e outros países antes de 2015.
Bateria de iões de lítio
Existem muitos tipos de baterias de iões de lítio utilizadas em projectos de armazenamento de energia, incluindo baterias de polímero de lítio, baterias de óxido de manganês de lítio e baterias de titanato de lítio, bem como baterias de iões de lítio.
Do ponto de vista do custo de investimento único, do ciclo de vida e da segurança, o fosfato de lítio e ferro é, sem dúvida, o armazenamento de energia de baterias de iões de lítio com as características mais abrangentes no domínio do armazenamento de energia, sendo amplamente utilizado em todos os aspectos da transmissão e distribuição do sistema elétrico.
A bateria de fosfato de ferro e lítio tem as vantagens de uma elevada estabilidade e de um ciclo de vida longo, sendo uma tecnologia de bateria de iões de lítio popular e mais utilizada para sistemas de armazenamento de energia.
Nos últimos anos, afetada pela redução de custos do fosfato de ferro-lítio e pela melhoria do desempenho global, esta tecnologia tem sido amplamente utilizada em todos os aspectos da transmissão e distribuição do sistema de energia.
Características técnicas do armazenamento de energia em baterias
Em termos de características da tecnologia de armazenamento de energia das baterias, devido à influência global da escala industrial, do custo do sistema, das características de energia e potência, das características de serviço e da reciclabilidade, as baterias de iões de lítio (fosfato de ferro-lítio e baterias ternárias de lítio) apresentam atualmente vantagens notáveis.
As baterias de chumbo-carbono, a bateria de fluxo redox totalmente em vanádio e a bateria de lítio com utilização em cascata são competitivas em cenários específicos.
A vida útil das baterias de chumbo-ácido é demasiado curta, o custo de investimento único das baterias de titanato de lítio é demasiado elevado, os problemas de segurança das baterias de sódio-enxofre são proeminentes e o progresso tecnológico é lento, e o custo energético dos supercapacitores é demasiado elevado. Estes últimos tipos de tecnologias são atualmente insuficientes em termos de competitividade no mercado.
(1) A escala da indústria determina a velocidade de atualização dos parâmetros técnicos globais da armazenagem de energia.
Em termos de escala industrial, a ordem de grande para pequena é: baterias de iões de lítio, baterias de chumbo-carbono e baterias de fluxo redox totalmente de vanádio. O volume das indústrias de baterias de iões de lítio para consumo e transporte pode apoiar o desenvolvimento do mercado de armazenamento de energia de baterias de iões de lítio.
Esta é a razão do rápido progresso do fosfato de ferro-lítio e das baterias ternárias de lítio nos últimos anos. A bateria de sódio-enxofre de alta temperatura, com uma boa dinâmica de desenvolvimento, tem vindo a desaparecer gradualmente do mercado de armazenamento de energia devido ao elevado limiar técnico e à participação insuficiente das empresas de armazenamento de energia, o que resulta num progresso tecnológico lento.
O número de fornecedores de sistemas de armazenamento de energia a partir de baterias de iões de lítio é muito superior ao de outras tecnologias de armazenamento de energia a partir de baterias.
(2) O custo do sistema está relacionado com o período de retorno do investimento do projeto e a sua margem de lucro.
O custo do sistema de armazenamento de energia tem dois parâmetros fundamentais, nomeadamente o custo do investimento único e o custo da eletricidade ao longo de todo o ciclo de vida. Num cenário de aplicação com um modelo de receitas específico, quanto mais baixo for o custo de investimento único, mais curto será o período de retorno do investimento, mais baixo será o custo da eletricidade ao longo do ciclo de vida e maior será a margem de lucro.
O custo de investimento único refere-se ao investimento inicial total em equipamento. No caso dos sistemas de armazenamento de energia em baterias, inclui conversores de armazenamento de energia, sistemas de gestão de energia, baterias de armazenamento de energia, equipamento de combate a incêndios e sistemas de monitorização.
Para além das baterias de chumbo-ácido, o custo de investimento único das baterias de chumbo-carbono é de 1.000 a 1.300 RMB/kWh, o mais baixo entre as várias tecnologias. Impulsionado pela indústria dos veículos eléctricos, o custo do fosfato de ferro-lítio e das baterias ternárias de lítio baixou muito rapidamente.
O custo de investimento único do fosfato de ferro-lítio é de 1.600-2.000 RMB/kWh, e o custo à saída da fábrica da maioria dos fornecedores é de cerca de 1.800 RMB/kWh.
(3) As características de energia e potência determinam o espaço ocupado e os cenários aplicáveis.
Em termos de densidade de energia, a ordem de grande para pequena é: bateria ternária de lítio (180-240 Wh/kg), bateria de fosfato de ferro-lítio (120-150 Wh/kg), bateria de chumbo-carbono (25-50 Wh/kg), bateria completa de fluxo redox de vanádio (7~15 Wh/kg).
No caso do armazenamento de energia do lado da rede (que geralmente ocupa o espaço da subestação) e do lado do utilizador, que requerem um espaço elevado, para além da seleção da tecnologia de armazenamento de energia adequada ao cenário de aplicação, a densidade de energia é também crucial para o espaço padrão.
Com base no consenso do sector, o contentor de 40 pés é a norma, a energia do sistema ternário de baterias de lítio pode atingir até 4 MWh, o fosfato de ferro-lítio é de 2-3 MWh, a bateria de chumbo-carbono é de 1,0-1,5 MWh, e as empresas individuais também podem atingir cerca de 2 MWh.
Mercado da tecnologia de armazenamento de energia em baterias
No final de junho de 2019, a capacidade instalada global de armazenamento de energia em bateria era de 7 427,5 MW, representando 4,1% do mercado global de armazenamento de energia.
A capacidade instalada de armazenamento de energia em baterias na China é de 1 160,8 MW. Entre elas, a capacidade instalada de baterias de iões de lítio é de 872,0 MW, representando 75,1%; as baterias de chumbo-ácido são 264,2 MW; as baterias de fluxo são 19,5 MW; outras baterias são 5,1 MW.
Entre elas, as baterias de chumbo-ácido são principalmente utilizadas em aplicações baseadas na energia, especialmente os projectos de engenharia com uma taxa horária de 4-8 h. Tanto as baterias de fluxo líquido como as baterias à base de sódio são principalmente utilizadas em aplicações baseadas na energia, e a taxa horária dos projectos de armazenamento de energia das baterias de fluxo é superior a 4 horas.
Os sistemas de armazenamento de energia de baterias de iões de lítio têm aplicações tanto de energia como de potência. Independentemente da aplicação de sistemas industriais e sistemas comerciais de armazenamento de energia ou baterias eléctricas, são utilizadas baterias de iões de lítio devido ao seu excelente desempenho.
Os sistemas de armazenamento de energia de baterias de lítio-ferro e de baterias ternárias de lítio têm uma ampla cobertura de aplicação, e as baterias de titanato de lítio são principalmente utilizadas para aplicações de energia com uma taxa horária de 0,5 h e inferior.
Nos últimos três anos, o crescimento acumulado dos projectos de armazenamento de energia em baterias tem sido rápido. A análise estatística dos projectos de armazenamento de energia postos em funcionamento nos últimos três anos por grandes categorias de tecnologias de armazenamento de energia, os resultados são apresentados na Figura 7.
As baterias de fluxo, as baterias à base de sódio e outros tipos de tecnologias de baterias estão a crescer lentamente, especialmente as baterias de sódio-enxofre com grandes volumes instalados. As baterias de chumbo-ácido e as baterias de iões de lítio têm crescido rapidamente, especialmente as baterias de iões de lítio. As taxas de crescimento em cadeia em 2016, 2017 e 2018 foram de 87%, 79,2% e 77,5%, respetivamente.
Problemas e desafios
Limitações técnicas e económicas
Para além do armazenamento por bombagem, outros tipos de tecnologias de armazenamento de energia são ainda relativamente caros. O elevado custo da tecnologia de armazenamento sem bombagem é um fator-chave que restringe o desenvolvimento em grande escala da indústria de armazenamento de energia.
O atual custo da energia de investimento da central de armazenamento por bombagem é de 1600-2100 yuan/kW, e o custo do kWh é de cerca de 0,25 yuan/kWh. Entre as tecnologias electroquímicas de armazenamento de energia, as baterias de chumbo-carbono e as baterias de fosfato de ferro-lítio são mais económicas, e o custo por unidade de eletricidade é de 0,5-0,7 yuan/kWh e 0,6-0,8 yuan/kWh, respetivamente.
No futuro, as baterias de armazenamento de energia de baixo custo e de longa duração serão a corrente principal da investigação e desenvolvimento tecnológico e da aplicação no mercado.
Limitações do desempenho técnico
Existem efeitos de curto prazo no desempenho dos parâmetros característicos dos diferentes tipos de tecnologias de armazenamento de energia.
A seleção do local de armazenamento por bombagem é limitada, o período de construção é longo, o arranque e a velocidade de resposta são lentos e a eficiência da conversão de energia é baixa; o nível de potência do armazenamento eletroquímico de energia é baixo, o tempo de descarga contínua é curto, a vida útil é ainda curta e algumas tecnologias apresentam riscos de poluição ambiental.
A nova tecnologia de armazenamento de energia de ar comprimido tem baixa eficiência (geralmente 50%), vida útil curta, vedação de alta pressão requer alta qualidade do equipamento e altos custos de operação e manutenção.
O tempo de descarga do acumulador de energia do volante é curto, podendo durar apenas alguns segundos ou minutos. Fenómeno de auto-descarga, os rolamentos rotativos de alta velocidade dependem fortemente das importações. O armazenamento de hidrogénio e outras novas tecnologias de armazenamento de energia estão ainda a dar os primeiros passos.
Limitações da adaptabilidade dos cenários
Os cenários de aplicação do armazenamento de energia são diversos e existem poucos esquemas de desenvolvimento da tecnologia Ontology para cenários de aplicação específicos.
Diferentes cenários de aplicação têm diferentes requisitos para a tecnologia de armazenamento de energia, e as deficiências das várias tecnologias de armazenamento de energia determinam as suas limitações de aplicação.
A armazenagem por bombagem é sobretudo adequada para a regulação dos picos de carga e a regulação da frequência a longo prazo de grandes redes eléctricas em várias regiões, embora a armazenagem eletroquímica de energia tenha melhorado consideravelmente os seus indicadores de desempenho globais nos últimos anos.
No entanto, o desempenho dos indicadores técnicos, como o ciclo de vida e o nível de potência, continua a ser diferente dos requisitos de longa duração e grande capacidade dos componentes do sistema de energia. Limitado pelo custo da eletricidade e pelo custo da energia, não é suficiente para ser amplamente utilizado em cenários aplicáveis.
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