Armazenamento de energia é a captura de energia produzida de uma só vez para uso posterior. Um dispositivo que armazena energia é geralmente chamado de acumulador ou bateria. A energia vem em múltiplas formas, incluindo radiação, potencial químico, potencial gravitacional, potencial elétrico, eletricidade, temperatura elevada, calor latente e cinética. O armazenamento de energia envolve a conversão de energia de formas que são difíceis de armazenar para formas mais convenientes ou economicamente armazenáveis.
Algumas tecnologias fornecem armazenamento de energia a curto prazo, enquanto outras podem durar por muito mais tempo. O armazenamento de energia a granel é atualmente dominado por represas hidrelétricas, tanto convencionais quanto bombeadas.
Exemplos comuns de armazenamento de energia são a bateria recarregável, que armazena energia química prontamente conversível em eletricidade para operar um telefone celular, a represa hidrelétrica, que armazena energia em um reservatório como energia potencial gravitacional, e tanques de armazenamento de gelo, que armazenam gelo congelado por mais barato energia durante a noite para atender a demanda diurna de pico por resfriamento. Combustíveis fósseis como carvão e gasolina armazenam energia antiga derivada da luz do sol por organismos que depois morreram, foram enterrados e, com o tempo, foram convertidos nesses combustíveis. A comida (que é produzida pelo mesmo processo que os combustíveis fósseis) é uma forma de energia armazenada na forma química.
Métodos
Esboço
A lista a seguir inclui uma variedade de tipos de armazenamento de energia:
Armazenamento de combustível fóssil
Mecânico
Armazenamento de energia de ar comprimido (CAES)
Locomotiva sem fogo
Armazenamento de energia do volante
Energia potencial gravitacional
Acumulador hidráulico
Hidroeletricidade de armazenamento bombeado (usina hidrelétrica bombeada, PHS ou usina hidrelétrica reversível, PSH)
Elétrica, eletromagnética
Capacitor
Supercapacitor
Armazenamento de energia magnética supercondutora (SMES, também bobina de armazenamento supercondutora)
Biológico
Glicogênio
Amido
Eletroquímica (Battery Energy Storage System, BESS)
Bateria de fluxo
Bateria recarregável
UltraBattery
Térmico
Aquecedor de armazenamento de tijolos
Armazenamento de energia criogênica, Armazenamento de energia de ar líquido (LAES)
Motor de nitrogênio líquido
Sistema eutético
Ar condicionado com armazenamento de gelo
Armazenamento de sal fundido
Material de mudança de fase
Armazenamento de energia térmica sazonal
Lagoa solar
Acumulador de vapor
Armazenamento de energia térmica (geral)
Químico
Biocombustíveis
Sais Hidratados
Armazenamento de hidrogênio
Peróxido de hidrogênio
Poder de gás
Pentóxido de vanádio
Armazenamento mecânico
A energia pode ser armazenada em água bombeada para uma elevação mais alta usando métodos de armazenamento bombeado ou movendo matéria sólida para locais mais altos (baterias de gravidade). Outros métodos mecânicos comerciais incluem a compressão de ar e volantes que convertem energia elétrica em energia cinética e, em seguida, voltam quando a demanda elétrica atinge seu pico.
Hidroeletricidade
Barragens hidrelétricas com reservatórios podem ser operadas para fornecer eletricidade nos momentos de pico de demanda. A água é armazenada no reservatório durante períodos de baixa demanda e liberada quando a demanda é alta. O efeito líquido é semelhante ao armazenamento bombeado, mas sem a perda de bombeamento.
Enquanto uma usina hidrelétrica não armazena diretamente a energia de outras unidades geradoras, ela se comporta de maneira equivalente, reduzindo a produção em períodos de excesso de eletricidade de outras fontes. Neste modo, as barragens são uma das formas mais eficientes de armazenamento de energia, porque apenas o tempo de sua geração muda. As turbinas hidrelétricas têm um tempo de inicialização da ordem de alguns minutos.
Armazenamento bombeado
Em todo o mundo, a hidroeletricidade por armazenamento bombeado (PSH) é a maior capacidade de armazenamento de energia ativa disponível e, em março de 2012, o Instituto de Pesquisa de Energia Elétrica (EPRI) informa que a PSH responde por mais de 99% da capacidade de armazenamento em massa. em todo o mundo, representando cerca de 127.000 MW. A eficiência energética do PSH varia na prática entre 70% e 80%, com reclamações de até 87%.
Em tempos de baixa demanda elétrica, a capacidade de geração excessiva é usada para bombear água de uma fonte mais baixa para um reservatório maior. Quando a demanda cresce, a água é liberada de volta para um reservatório inferior (ou via fluvial ou corpo de água) através de uma turbina, gerando eletricidade. Os conjuntos turbina-geradores reversíveis atuam tanto como uma bomba quanto como uma turbina (geralmente um projeto de turbina Francis). Quase todas as instalações usam a diferença de altura entre dois corpos de água. As usinas de armazenamento por bombeamento puro deslocam a água entre os reservatórios, enquanto a abordagem de “bombeamento reverso” é uma combinação de usinas hidrelétricas convencionais e de armazenamento bombeado que usam fluxo natural de fluxo.
Ar comprimido
O armazenamento de energia por ar comprimido (CAES) usa energia excedente para comprimir ar para posterior geração de eletricidade. Sistemas de pequena escala são usados há muito tempo em aplicações como a propulsão de locomotivas. O ar comprimido é armazenado em um reservatório subterrâneo, como uma cúpula de sal.
As instalações de armazenamento de energia por ar comprimido (CAES) podem preencher a lacuna entre a volatilidade da produção e a carga. O armazenamento do CAES atende às necessidades de energia dos consumidores fornecendo efetivamente energia prontamente disponível para atender à demanda. Fontes de energia renováveis como a energia eólica e solar têm recursos variáveis. Como resultado, o suplemento de outras formas de energia é necessário para atender a demanda de energia durante períodos de menor disponibilidade de recursos. As instalações de armazenamento de energia de ar comprimido são capazes de absorver a energia excedente produzida por fontes de energia renovável durante os períodos de superprodução de energia. Essa energia armazenada pode ser usada mais tarde, quando a demanda por eletricidade aumenta ou a disponibilidade de recursos energéticos diminui.
A compressão do ar cria calor; o ar é mais quente após a compressão. Expansão requer calor. Se nenhum calor extra for adicionado, o ar ficará muito mais frio após a expansão. Se o calor gerado durante a compressão puder ser armazenado e usado durante a expansão, a eficiência melhora consideravelmente. Um sistema CAES pode lidar com o calor de três maneiras. O armazenamento de ar pode ser adiabático, diabático ou isotérmico. Outra abordagem usa ar comprimido para alimentar veículos.
Armazenamento de energia do volante
O armazenamento de energia do volante (FES) funciona acelerando um rotor (volante) a uma velocidade muito alta, mantendo a energia como energia rotacional. Quando a energia é extraída, a velocidade de rotação do volante diminui em consequência da conservação de energia; Adicionar energia correspondentemente resulta em um aumento na velocidade do volante.
A maioria dos sistemas FES usa eletricidade para acelerar e desacelerar o volante, mas dispositivos que usam diretamente energia mecânica estão sendo considerados.
Os sistemas FES possuem rotores feitos de compósitos de fibra de carbono de alta resistência, suspensos por rolamentos magnéticos e girando a velocidades de 20.000 a mais de 50.000 rpm em um invólucro a vácuo. Tais volantes podem atingir a velocidade máxima (“carga”) em questão de minutos. O sistema volante está ligado a um motor / gerador elétrico combinado.
Os sistemas FES têm vida útil relativamente longa (décadas duradouras com pouca ou nenhuma manutenção; as vidas úteis de ciclo completo cotadas para volantes variam de mais de 105 até 107 ciclos de uso), alta energia específica (100–130 W • h / kg , ou 360–500 kJ / kg) e densidade de potência.
Armazenamento de energia potencial gravitacional com massas sólidas
A alteração da altitude das massas sólidas pode armazenar ou liberar energia por meio de um sistema de elevação acionado por um motor / gerador elétrico. O armazenamento de energia potencial ou o armazenamento de energia por gravidade estava em desenvolvimento ativo em 2013, em associação com o California Independent System Operator. Examinou o movimento de vagões com tremonha carregados de terra, impulsionados por locomotivas elétricas, de altitudes mais baixas a altas.
Os métodos incluem o uso de trilhos e guindastes para movimentar pesos de concreto para cima e para baixo, usando plataformas flutuantes alimentadas por energia solar de alta altitude para elevar e abaixar massas sólidas, usando guinchos apoiados por uma barcaça oceânica para aproveitar 4 km (13.000 pés) diferença de elevação entre a superfície e o fundo do mar. As eficiências podem chegar a 85% de recuperação de energia armazenada.
Armazenamento térmico
Armazenamento de energia térmica (TES) é o armazenamento temporário ou a remoção de calor.
Armazenamento de energia térmica com calor sensível
O armazenamento de calor sensível aproveita o calor sensível em um material para armazenar energia.
O armazenamento sazonal de energia térmica (STES) permite que o calor ou o frio sejam usados meses após a coleta de energia residual ou de fontes naturais. O material pode ser armazenado em aquíferos contidos, aglomerados de furos em substratos geológicos como areia ou rocha cristalina, em poços revestidos cheios de cascalho e água, ou em minas cheias de água. Os projetos sazonais de armazenamento de energia térmica (STES) costumam ter retorno na faixa de quatro a seis anos. Um exemplo é a Comunidade Solar de Drake Landing no Canadá, para a qual 97% do calor durante todo o ano é fornecido por coletores solares térmicos nos telhados da garagem, com uma loja de energia térmica de furo (BTES) sendo a tecnologia capacitadora. Em Braestrup, na Dinamarca, o sistema de aquecimento solar da comunidade também utiliza o STES, a uma temperatura de armazenamento de 65 ° C (149 ° F). Uma bomba de calor, que é executada somente quando há energia eólica excedente disponível na rede nacional, é usada para elevar a temperatura para 80 ° C (176 ° F) para distribuição. Quando a eletricidade gerada pelo vento excedente não está disponível, uma caldeira a gás é usada. Vinte por cento do calor da Braestrup é solar.
Armazenamento de energia térmica por calor latente (LHTES)
Os sistemas de armazenamento de energia térmica por calor latente funcionam com materiais com alta capacidade de calor latente (calor de fusão), conhecidos como materiais de mudança de fase (PCMs). A principal vantagem desses materiais é que sua capacidade de armazenamento de calor latente é muito mais do que o calor sensível. Em uma faixa de temperatura específica, as mudanças de fase de sólido para líquido absorvem uma grande quantidade de energia térmica para uso posterior.
O armazenamento de energia térmica de calor latente consiste em um processo pelo qual a energia, na forma de calor, é absorvida ou liberada durante a mudança de fase de um material de mudança de fase (PCM). Um PCM é um material com um alto calor de fusão. Uma mudança de fase é a fusão ou solidificação de um material. Durante uma mudança de fase, um PCM tem a capacidade de absorver grandes quantidades de energia devido ao seu alto calor de fusão.
Eletroquímica
Bateria recarregável
Uma bateria recarregável, compreende uma ou mais células eletroquímicas. É conhecida como uma ‘célula secundária’ porque suas reações eletroquímicas são eletricamente reversíveis. As baterias recarregáveis vêm em diversos formatos e tamanhos, variando de células-botão a sistemas de rede de megawatts.
As baterias recarregáveis têm menor custo total de uso e impacto ambiental do que as baterias não recarregáveis (descartáveis). Alguns tipos de baterias recarregáveis estão disponíveis nos mesmos fatores de forma que os descartáveis. As baterias recarregáveis têm um custo inicial mais alto, mas podem ser recarregadas muito barato e usadas muitas vezes.
Os produtos químicos comuns para baterias recarregáveis incluem:
Bateria de chumbo-ácido: As baterias de chumbo-ácido detêm a maior quota de mercado de produtos de armazenamento elétrico. Uma única célula produz cerca de 2V quando carregada. No estado carregado, o eletrodo metálico negativo de chumbo e o eletrodo positivo de sulfato de chumbo são imersos em um eletrólito de ácido sulfúrico diluído (H2SO4). No processo de descarga, os elétrons são empurrados para fora da célula à medida que o sulfato de chumbo é formado no eletrodo negativo, enquanto o eletrólito é reduzido à água.
A tecnologia de baterias de chumbo-ácido foi desenvolvida extensivamente. A manutenção exige mão de obra mínima e seu custo é baixo. A capacidade de energia disponível da bateria está sujeita a uma descarga rápida, resultando em baixa vida útil e baixa densidade de energia.
Bateria de níquel-cádmio (NiCd): Usa hidróxido de óxido de níquel e cádmio metálico como eletrodos. O cádmio é um elemento tóxico e foi proibido para a maioria dos usos pela União Europeia em 2004. As baterias de níquel-cádmio foram quase completamente substituídas por baterias de níquel-hidreto metálico (NiMH).
Bateria de níquel-hidreto de metal (NiMH): Os primeiros tipos comerciais estavam disponíveis em 1989. Atualmente, são um tipo comum de consumo e industrial. A bateria tem uma liga de absorção de hidrogênio para o eletrodo negativo em vez de cádmio.
Bateria de iões de lítio: A escolha em muitos produtos electrónicos de consumo e tem uma das melhores relações energia-massa e uma auto-descarga muito lenta quando não está a ser utilizada.
Bateria de polímero de iões de lítio: Estas baterias são leves e podem ser feitas em qualquer formato desejado.
Bateria de fluxo
Uma bateria de fluxo opera passando uma solução sobre uma membrana onde os íons são trocados para carregar / descarregar a célula. A tensão da célula é quimicamente determinada pela equação de Nernst e varia, em aplicações práticas, de 1,0 a 2,2 V. Sua capacidade de armazenamento é uma função do volume dos tanques que contêm a solução.
Uma bateria de fluxo é tecnicamente aparentada tanto para uma célula de combustível quanto para uma célula acumuladora eletroquímica. Aplicativos comerciais são para armazenamento de meio ciclo longo, como energia de grade de backup.
Supercapacitor
Os supercapacitores, também chamados de capacitores elétricos de camada dupla (EDLC) ou ultracapacitores, são termos genéricos para uma família de capacitores eletroquímicos que não possuem dielétricos sólidos convencionais. A capacitância é determinada por dois princípios de armazenamento, capacitância de camada dupla e pseudocapacitância.
Os supercapacitores preenchem a lacuna entre os capacitores convencionais e as baterias recarregáveis. Eles armazenam mais energia por unidade de volume ou massa (densidade de energia) entre os capacitores. Eles suportam até 10.000 farads / 1,2 volt, até 10.000 vezes maior do que os capacitores eletrolíticos, mas fornecem ou aceitam menos da metade da energia por unidade de tempo (densidade de potência).
Embora os supercapacitores tenham densidades de energia e energia específicas, que são aproximadamente 10% das baterias, sua densidade de energia é geralmente 10 a 100 vezes maior. Isso resulta em ciclos de carga / descarga muito mais curtos. Além disso, eles tolerarão muito mais ciclos de carga e descarga do que as baterias.
Supercapacitores suportam um amplo espectro de aplicações, incluindo:
Corrente de fornecimento baixa para backup de memória na memória estática de acesso aleatório (SRAM)
Potência para carros, ônibus, trens, guindastes e elevadores, incluindo recuperação de energia de frenagem, armazenamento de energia a curto prazo e fornecimento de energia em modo burst
Outro produto químico
Poder de gás
A energia para o gás é uma tecnologia que converte eletricidade em um combustível gasoso, como hidrogênio ou metano. Os três métodos comerciais usam eletricidade para reduzir a água em hidrogênio e oxigênio por meio de eletrólise.
No primeiro método, o hidrogênio é injetado na rede de gás natural ou é usado no transporte ou na indústria. O segundo método é combinar o hidrogênio com o dióxido de carbono para produzir metano usando uma reação de metanação, como a reação de Sabatier, ou metanização biológica, resultando em uma perda extra de conversão de energia de 8%. O metano pode então ser alimentado na rede de gás natural. O terceiro método usa o gás de saída de um gerador de gás de madeira ou de uma usina de biogás, depois que o atualizador de biogás é misturado com o hidrogênio do eletrolisador, para melhorar a qualidade do biogás.
Hidrogênio
O elemento hidrogênio pode ser uma forma de energia armazenada. O hidrogênio pode produzir eletricidade através de uma célula a combustível de hidrogênio.
Em penetrações abaixo de 20% da demanda da rede, as renováveis não alteram seriamente a economia; mas além de cerca de 20% da demanda total, o armazenamento externo se torna importante. Se essas fontes são usadas para fazer hidrogênio iônico, elas podem ser expandidas livremente. Um programa piloto de 5 anos baseado na comunidade usando turbinas eólicas e geradores de hidrogênio começou em 2007 na remota comunidade de Ramea, Newfoundland e Labrador. Um projeto semelhante começou em 2004 em Utsira, uma pequena ilha norueguesa.
As perdas de energia envolvidas no ciclo de armazenamento de hidrogênio provêm da eletrólise da água, da liquefação ou da compressão do hidrogênio e da conversão em eletricidade.
São necessários cerca de 50 kW • h (180 MJ) de energia solar para produzir um quilograma de hidrogénio, pelo que o custo da eletricidade é crucial. A US $ 0,03 / kWh, uma taxa de linha de baixa tensão comum nos Estados Unidos, o hidrogênio custa US $ 1,50 por quilo pela eletricidade, equivalente a US $ 1,50 por galão de gasolina. Outros custos incluem a instalação de eletrolisador, compressores de hidrogênio ou liquefação, armazenamento e transporte.
O hidrogênio também pode ser produzido a partir do alumínio e da água, removendo a barreira natural de óxido de alumínio do alumínio e introduzindo-a na água. Este método é benéfico porque latas de alumínio recicladas podem ser usadas como combustível para gerar hidrogênio, no entanto, os sistemas para aproveitar esta opção não foram desenvolvidos comercialmente e são muito mais complexos do que os sistemas de eletrólise. Métodos comuns para remover a camada de óxido incluem catalisadores cáusticos, tais como hidróxido de sódio e ligas com gálio, mercúrio e outros metais.
O armazenamento subterrâneo de hidrogênio é a prática do armazenamento de hidrogênio em cavernas subterrâneas, domos de sal e campos de petróleo e gás esgotados. Grandes quantidades de hidrogênio gasoso foram armazenadas em cavernas subterrâneas pela Imperial Chemical Industries por muitos anos sem quaisquer dificuldades. O projeto europeu Hyunder indicou em 2013 que o armazenamento de energia eólica e solar usando hidrogênio subterrâneo exigiria 85 cavernas.
Metano
O metano é o hidrocarboneto mais simples com a fórmula molecular CH4. O metano é mais facilmente armazenado e transportado do que o hidrogênio. A infraestrutura de armazenamento e combustão (oleodutos, gasômetros, usinas de energia) está madura.
O gás natural sintético (syngas ou SNG) pode ser criado em um processo de várias etapas, começando com hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio é então reagido com dióxido de carbono em um processo de Sabatier, produzindo metano e água. O metano pode ser armazenado e usado posteriormente para produzir eletricidade. A água resultante é reciclada, reduzindo a necessidade de água. No estágio de eletrólise, o oxigênio é armazenado para a combustão de metano em um ambiente de oxigênio puro em uma usina de energia adjacente, eliminando os óxidos de nitrogênio.
A combustão de metano produz dióxido de carbono (CO2) e água. O dióxido de carbono pode ser reciclado para impulsionar o processo de Sabatier e a água pode ser reciclada para posterior eletrólise. A produção, armazenamento e combustão de metano reciclam os produtos de reação.
O CO2 tem valor econômico como componente de um vetor de armazenamento de energia, e não um custo como na captura e armazenamento de carbono.
Poder para líquido
O poder ao líquido é semelhante ao poder do gás, entretanto o hidrogênio produzido pela eletrólise da eletricidade eólica e solar não é convertido em gases como o metano, mas em líquidos como o metanol. O metanol é mais fácil de manusear que os gases e requer menos precauções de segurança do que o hidrogênio. Pode ser usado para transporte, incluindo aeronaves, mas também para fins industriais ou no setor de energia.
Biocombustíveis
Vários biocombustíveis, como o biodiesel, o óleo vegetal, o álcool combustível ou a biomassa, podem substituir os combustíveis fósseis. Vários processos químicos podem converter o carbono e o hidrogênio em carvão, gás natural, biomassa vegetal e animal e resíduos orgânicos em hidrocarbonetos curtos, adequados como substitutos dos combustíveis de hidrocarbonetos existentes. Exemplos são o diesel Fischer-Tropsch, metanol, éter dimetílico e syngas. Essa fonte de diesel foi usada extensivamente na Segunda Guerra Mundial na Alemanha, que enfrentava acesso limitado ao fornecimento de petróleo bruto. A África do Sul produz a maior parte do diesel do país a partir de carvão por razões semelhantes. Um preço de petróleo de longo prazo acima de US $ 35 / bbl pode tornar econômicos esses combustíveis líquidos sintéticos em larga escala.
Alumínio
O alumínio foi proposto como um método de armazenamento de energia por vários pesquisadores. O volume equivalente eletroquímico do alumínio (8,04 Ah / cm3) é quase um fator de quatro vezes maior que o lítio (2,06 Ah / cm3). A energia pode ser extraída do alumínio, reagindo com água para gerar hidrogênio. Para reagir com a água, no entanto, o alumínio deve ser despojado de sua camada de óxido natural, um processo que requer pulverização, reações químicas com substâncias cáusticas ou ligas. O subproduto da reação para criar hidrogênio é o óxido de alumínio, que pode ser reciclado de volta ao alumínio com o processo Hall-Héroult, tornando a reação teoricamente renovável. Se o processo Hall-Heroult for executado usando energia solar ou eólica, o alumínio pode ser usado para armazenar a energia produzida com maior eficiência do que a eletrólise solar direta.
Boro, silício e zinco
Boro, silício e zinco foram propostos como soluções de armazenamento de energia.
Outro produto químico
O composto orgânico norbornadieno converte-se em quadriciclano por exposição à luz, armazenando energia solar como energia de ligações químicas. Um sistema de trabalho foi desenvolvido na Suécia como um sistema térmico solar molecular.
Métodos elétricos
Capacitor
Um capacitor (originalmente conhecido como ‘condensador’) é um componente elétrico passivo de dois terminais usado para armazenar energia eletrostaticamente. Capacitores práticos variam amplamente, mas todos contêm pelo menos dois condutores elétricos (placas) separados por um dielétrico (isto é, isolador). Um capacitor pode armazenar energia elétrica quando desconectado de seu circuito de carga, para que possa ser usado como uma bateria temporária, ou como outros tipos de sistema de armazenamento de energia recarregável. Capacitores são comumente usados em dispositivos eletrônicos para manter o fornecimento de energia enquanto as baterias mudam. (Isso evita a perda de informações na memória volátil.) Os capacitores convencionais fornecem menos de 360 joules por quilograma, enquanto uma bateria alcalina convencional tem uma densidade de 590 kJ / kg.
Capacitores armazenam energia em um campo eletrostático entre suas placas. Dada uma diferença de potencial entre os condutores (por exemplo, quando um capacitor é conectado através de uma bateria), um campo elétrico se desenvolve através do dielétrico, causando carga positiva (+ Q) para coletar em uma placa e carga negativa (-Q) para coletar em o outro prato. Se uma bateria for conectada a um capacitor por um período de tempo suficiente, nenhuma corrente pode fluir através do capacitor. No entanto, se uma tensão acelerada ou alternada é aplicada através dos condutores do capacitor, uma corrente de deslocamento pode fluir. Além das placas do capacitor, a carga também pode ser armazenada em uma camada dielétrica.
A capacitância é maior devido a uma separação mais estreita entre os condutores e quando os condutores têm uma área de superfície maior. Na prática, o dielétrico entre as placas emite uma pequena quantidade de corrente de fuga e tem um limite de intensidade de campo elétrico, conhecido como tensão de ruptura. No entanto, o efeito da recuperação de um dielétrico após uma quebra de alta voltagem é promissor para uma nova geração de capacitores auto-reparadores. Os condutores e condutores apresentam indutância e resistência indesejáveis.
A pesquisa está avaliando os efeitos quânticos de capacitores em nanoescala para baterias quânticas digitais.
Magnetismo supercondutor
Sistemas Supercondutores de armazenamento de energia magnética (SMES) armazenam energia em um campo magnético criado pelo fluxo de corrente contínua em uma bobina supercondutora que foi resfriada a uma temperatura abaixo de sua temperatura crítica supercondutora. Um sistema SMES típico inclui uma bobina supercondutora, um sistema de condicionamento de energia e um refrigerador. Uma vez que a bobina supercondutora é carregada, a corrente não decai e a energia magnética pode ser armazenada indefinidamente.
A energia armazenada pode ser liberada para a rede, descarregando a bobina. O inversor / retificador associado é responsável por cerca de 2 a 3% da perda de energia em cada direção. As SMES perdem a menor quantidade de eletricidade no processo de armazenamento de energia em comparação com outros métodos de armazenamento de energia. Os sistemas SMES oferecem eficiência de ida e volta superior a 95%.
Devido às exigências energéticas da refrigeração e ao custo do fio supercondutor, o SMES é usado para armazenamento de curta duração, como a melhoria da qualidade da energia. Também possui aplicativos em balanceamento de grade.
Aplicações
Moinhos
A aplicação clássica antes da revolução industrial era o controle de hidrovias para a movimentação de moinhos de água para o processamento de grãos ou máquinas de alimentação. Sistemas complexos de reservatórios e barragens foram construídos para armazenar e liberar água (e a energia potencial que continha) quando necessário.
Armazenamento de energia em casa
Espera-se que o armazenamento doméstico de energia se torne cada vez mais comum, dada a crescente importância da geração distribuída de energias renováveis (especialmente a energia fotovoltaica) e a importante participação do consumo de energia nos edifícios. Para exceder a auto-suficiência de 40% em um lar equipado com energia fotovoltaica, o armazenamento de energia é necessário. Vários fabricantes produzem sistemas de baterias recarregáveis para armazenamento de energia, geralmente para manter a energia excedente da geração solar / eólica doméstica. Hoje, para o armazenamento doméstico de energia, as baterias Li-ion são preferíveis às de chumbo-ácido, devido ao seu custo similar, mas com um desempenho muito melhor.
A Tesla Motors produz dois modelos do Tesla Powerwall. Um deles é uma versão de ciclo semanal de 10 kWh para aplicativos de backup e o outro é uma versão de 7 kWh para aplicações de ciclo diário. Em 2016, uma versão limitada do Telsa Powerpack 2 custou US $ 398 / kWh para armazenar eletricidade no valor de 12,5 cents / kWh (preço médio da rede dos EUA), tornando o retorno positivo do investimento duvidoso, a menos que os preços da eletricidade sejam superiores a 30 cents / kWh.
A Enphase Energy anunciou um sistema integrado que permite que usuários domésticos armazenem, monitorem e gerenciem eletricidade. O sistema armazena 1,2 kWh de energia e 275W / 500W de potência.
Armazenar energia eólica ou solar usando armazenamento de energia térmica, embora menos flexível, é consideravelmente mais barato que as baterias. Um simples aquecedor elétrico de água pode armazenar cerca de 12 kWh de energia para suplementar a água quente ou o aquecimento de ambientes.
Para propósitos puramente financeiros em áreas onde a medição líquida está disponível, a eletricidade gerada em casa pode ser vendida à rede através de um inversor de ligação à rede sem o uso de baterias para armazenamento.
Eletricidade de rede e centrais elétricas
Armazenamento de energia renovável
A maior fonte e a maior reserva de energia renovável é fornecida por represas hidrelétricas. Um grande reservatório atrás de uma barragem pode armazenar água suficiente para medir o fluxo anual de um rio entre as estações seca e chuvosa. Um reservatório muito grande pode armazenar água suficiente para medir o fluxo de um rio entre os anos secos e úmidos. Enquanto uma hidrelétrica não armazena diretamente energia de fontes intermitentes, ela equilibra a rede reduzindo sua produção e retendo sua água quando a energia é gerada por energia solar ou eólica. Se a geração eólica ou solar exceder a capacidade hidrelétrica das regiões, será necessária alguma fonte adicional de energia.
Muitas fontes de energia renovável (principalmente solar e eólica) produzem energia variável. Os sistemas de armazenamento podem nivelar os desequilíbrios entre oferta e demanda que isso causa. A eletricidade deve ser usada à medida que é gerada ou convertida imediatamente em formas armazenáveis.
O principal método de armazenamento da rede elétrica é a hidroeletricidade por armazenamento bombeado. Áreas do mundo como a Noruega, o País de Gales, o Japão e os EUA usaram características geográficas elevadas para reservatórios, usando bombas elétricas para enchê-las. Quando necessário, a água passa por geradores e converte o potencial gravitacional da água em queda em eletricidade. O armazenamento bombeado na Noruega, que obtém quase toda a eletricidade da hidrelétrica, tem atualmente uma capacidade de 1,4 GW, mas como a capacidade instalada total é de aproximadamente 32 GW e 75% é regulável, pode ser expandida significativamente.
Algumas formas de armazenamento que produzem eletricidade incluem usinas hidrelétricas de armazenamento bombeado, baterias recarregáveis, armazenamento térmico, incluindo sais fundidos que podem armazenar e liberar eficientemente grandes quantidades de energia térmica, armazenamento de energia de ar comprimido, volantes, sistemas criogênicos e bobinas magnéticas supercondutoras.
A energia excedente também pode ser convertida em metano (processo sabatier) com estocagem na rede de gás natural.
Em 2011, a Bonneville Power Administration, no noroeste dos Estados Unidos, criou um programa experimental para absorver o excesso de energia eólica e hídrica gerada durante a noite ou durante períodos tempestuosos que são acompanhados por ventos fortes. Sob o controle central, eletrodomésticos absorvem energia excedente aquecendo tijolos cerâmicos em aquecedores especiais a centenas de graus e aumentando a temperatura de tanques modificados de aquecedor de água quente. Após o carregamento, os aparelhos fornecem aquecimento doméstico e água quente, conforme necessário. O sistema experimental foi criado como resultado de uma grave tempestade de 2010 que produziu energia renovável em excesso, na medida em que todas as fontes de energia convencionais foram desligadas ou, no caso de uma usina nuclear, reduzidas a seu menor nível operacional, deixando um grande área funcionando quase completamente em energia renovável.
Outro método avançado usado no antigo projeto Solar Two nos Estados Unidos e no Solar Tres Power Tower na Espanha usa sal fundido para armazenar energia térmica capturada do sol e depois convertê-lo e despachá-lo como energia elétrica. O sistema bombeia sal fundido através de uma torre ou de outras condutas especiais para serem aquecidas pelo sol. Tanques isolados armazenam a solução. A eletricidade é produzida transformando-se água em vapor que é alimentado pelas turbinas.
Desde o início do século XXI, as baterias têm sido aplicadas às capacidades de regulação de frequência e nivelamento de carga em escala de serviços públicos.
No armazenamento veículo-a-grade, os veículos elétricos que são conectados à rede de energia podem fornecer energia elétrica armazenada de suas baterias para a rede quando necessário.
Ar condicionado
Armazenamento de energia térmica (TES) pode ser usado para ar condicionado. É mais amplamente usado para resfriamento de grandes edifícios e / ou grupos de edifícios menores. Os sistemas comerciais de ar condicionado são os maiores contribuintes para as cargas elétricas de pico. Em 2009, o armazenamento térmico foi utilizado em mais de 3.300 edifícios em mais de 35 países. Funciona criando gelo à noite e usando o gelo para esfriar durante os períodos diurnos mais quentes.
A técnica mais popular é o armazenamento de gelo, que requer menos espaço do que a água e é menos dispendioso do que as células de combustível ou volantes. Nesta aplicação, um chiller padrão funciona à noite para produzir uma pilha de gelo. A água circula pela pilha durante o dia para resfriar a água que normalmente seria a produção diurna do chiller.
Um sistema de armazenamento parcial minimiza o investimento de capital, executando os chillers quase 24 horas por dia. À noite, eles produzem gelo para armazenamento e durante o dia eles resfriam a água. A água que circula pelo gelo derretido aumenta a produção de água gelada. Esse sistema produz gelo de 16 a 18 horas por dia e derrete o gelo durante seis horas por dia. As despesas de capital são reduzidas porque os resfriadores podem ter apenas 40 a 50% do tamanho necessário para um projeto convencional sem armazenamento. O armazenamento suficiente para armazenar metade do calor disponível de um dia é geralmente adequado.
Um sistema de armazenamento completo desliga os resfriadores durante o horário de pico de carga. Os custos de capital são mais altos, pois esse sistema exige chillers maiores e um sistema de armazenamento de gelo maior.
Esse gelo é produzido quando as taxas de energia elétrica são mais baixas. Os sistemas de refrigeração fora do pico podem reduzir os custos de energia. O Green Building Council dos EUA desenvolveu o programa de Liderança em Energia e Design Ambiental (LEED) para incentivar o projeto de edifícios de impacto ambiental reduzido. O arrefecimento fora do pico pode ajudar na Certificação LEED.
Armazenamento térmico para aquecimento é menos comum do que para resfriamento. Um exemplo de armazenamento térmico é armazenar o calor solar a ser usado para aquecimento à noite.
O calor latente também pode ser armazenado em materiais técnicos de mudança de fase (PCMs). Estes podem ser encapsulados em painéis de parede e teto, para moderar a temperatura ambiente.
Transporte
Combustíveis líquidos de hidrocarbonetos são as formas mais utilizadas de armazenamento de energia para uso no transporte, seguidas por um uso crescente de Veículos Elétricos de Baterias e Veículos Elétricos Híbridos. Outros portadores de energia, como o hidrogênio, podem ser usados para evitar a produção de gases de efeito estufa.
Sistemas de transporte público como bondes e trólebus exigem eletricidade, mas devido à sua variabilidade em movimento, um suprimento constante de eletricidade via energia renovável é um desafio. Sistemas fotovoltaicos instalados nos telhados de edifícios podem ser usados para alimentar sistemas de transporte público durante períodos em que há aumento da demanda por eletricidade e o acesso a outras formas de energia não está prontamente disponível.
Eletrônicos
Capacitores são amplamente utilizados em circuitos eletrônicos para bloqueio de corrente contínua, permitindo a passagem de corrente alternada. Em redes de filtros analógicos, eles suavizam a saída de fontes de alimentação. Em circuitos ressonantes eles sintonizam rádios para frequências particulares. Nos sistemas de transmissão de energia elétrica, eles estabilizam a tensão e o fluxo de energia.