A geologia rochosa de Broken Hill pode ser parte da solução para o problema de armazenamento de energia da Austrália à medida que o país avança em direção às energias renováveis.
Uma instalação de 200 megawatts e US$ 1 bilhão construída pela empresa canadense Hydrostor perto da histórica cidade mineira será a primeira instalação de armazenamento de energia de ar comprimido em grande escala da Austrália, capaz de abastecer até 80.000 residências por dia.
O Centro de Armazenamento de Energia de Silver City será capaz de armazenar energia por cerca de oito horas, mais do que as baterias de íons de lítio, que normalmente suportam cerca de quatro horas de carga em baterias grandes em escala de rede.
Isso significa que a energia solar gerada durante o dia pode ser absorvida e liberada à noite.
Abundante energia renovável diurna é desperdiçada devido à falta de armazenamento, e este número está a aumentar à medida que mais energias renováveis entram em funcionamento.
Estima-se que a Austrália necessitará de até 20 vezes mais armazenamento de energia até 2050, e a simples adição de mais baterias de iões de lítio não é a solução devido ao seu elevado custo e ao limite do número de horas em que armazenam energia de forma eficiente.
O que é armazenamento de energia no ar comprimido?
Uma instalação de armazenamento de energia de ar comprimido é um pouco como uma pistola de pregos pneumática, mas em uma escala muito maior, diz o cientista pesquisador da CSIRO, Ben Clennell, que trabalhou para a Hydrostor no passado.
Durante períodos de alta oferta, a energia renovável é utilizada para bombear o ar atmosférico, sob pressão, para um recipiente de armazenamento. Em seguida, é liberado durante períodos de alta demanda para acionar uma turbina e gerar eletricidade.
Uma impressão do site Hydrostor. (Fornecido: Governo de Nova Gales do Sul)
“É como armazenar ar em um cilindro de ar comprimido”, diz o Dr. Clennell.
Ao contrário de uma pistola de pregos, as instalações de Broken Hill possuem várias etapas adicionais para melhorar a eficiência.
O processo de compressão do ar gera calor. Seu aquecedor de ciclo reverso funciona com o mesmo princípio. Esse excesso de calor é armazenado e usado para aquecer o ar armazenado quando ele é descomprimido.
A instalação de Broken Hill também utiliza água para um processo denominado “compensação hidrostática”.
O ar comprimido é armazenado em uma caverna subterrânea de 280 mil metros cúbicos cheia de água, 600 metros abaixo da superfície.
“À medida que o ar entra na caverna subterrânea, ele empurra a água para fora da caverna e para dentro de um lago no topo”, disse o Dr. Clennell.
Um diagrama que mostra como funciona o sistema de armazenamento de energia de ar comprimido do Hydrostor. (Fornecido: Hydrostor)
Para aproveitar esta energia armazenada, o processo é inverso: a água flui do reservatório superficial para a caverna subterrânea, empurrando o ar de volta para a superfície, onde é reaquecido e usado para girar turbinas que geram eletricidade.
Hydrostor, a empresa canadense por trás da Silver City Energy Storage Facility, disse que usaria uma mina subterrânea desativada adjacente à caverna proposta para acessar e escavar rochas para criar a caverna.
“(A rocha) reterá água e ar sem ter que forrá-la ou construir um recipiente de aço porque é uma rocha de densidade muito alta”, disse Martin Becker da Hydrostor.
Clennell disse que grandes instalações de armazenamento de energia de ar comprimido deveriam ser subterrâneas.
“Você pode armazenar ar em vasos de pressão ou tubos, ou outros arranjos na superfície, mas eles rapidamente se tornariam muito grandes se você quisesse armazenar centenas de megawatts-hora de energia equivalente à eletricidade”, disse ele.
Por que usar a compensação hidrostática?
Adicionar água torna o processo mais complicado, mas mais eficiente, robusto e confiável, segundo Seamus Garvey, professor de dinâmica energética da Universidade de Nottingham.
O professor Seamus Garvey criou recentemente a Alliance for Medium Lifetime Energy Storage. (Fornecido: Seamus Garvey)
Isto significa que quando for necessária energia, todo o ar bombeado para a caverna subterrânea pode ser libertado através das turbinas. Sem água, seria necessário deixar um pouco de ar na caverna para evitar a criação de vácuo parcial.
“Você pode retirar todo o ar do tanque quando quiser esvaziá-lo”, disse o professor Garvey.
O compressor e as turbinas podem operar na mesma pressão ideal, tornando-os mais eficientes.
A água também atenua os danos aos recipientes de armazenamento devido ao estresse nos materiais causado pelos ciclos de pressurização e despressurização, semelhante à forma como o aquecimento e o resfriamento repetidos do solo durante o dia e a noite fazem com que a rocha se deforme e depois rache.
“(Os materiais estão sob) grande tensão quando o tanque está cheio de ar de alta pressão e depois relaxam um pouco quando não está cheio de ar de alta pressão”, disse o professor Garvey.
Quão eficiente é um sistema de armazenamento de energia de ar comprimido?
Hydrostor disse que a instalação de Broken Hill teria uma eficiência de ida e volta de cerca de 66 por cento.
Isto significou que aproximadamente dois terços da eletricidade utilizada para alimentar os compressores de ar foi posteriormente recuperada como eletricidade gerada pelas turbinas.
A Hydrostor disse que levaria 12 horas para carregar o sistema, que armazenou energia por oito horas.
Ben Clennell, da CSIRO, afirma que a energia do ar comprimido é ideal para armazenamento de energia a longo prazo. (Fornecido: CSIRO)
Martin disse que o sistema era mais eficiente do que o armazenamento tradicional de ar comprimido porque capturava calor e o armazenava em tanques na superfície.
“Você não pode fazer passar ar frio por essas turbinas (para gerar eletricidade). O ar precisa estar em uma determinada faixa e temperatura operacional”, disse ele.
“No ar comprimido tradicional, quando o ar é reutilizado para gerar, normalmente usa gás natural. Isso é muito ineficiente porque você está… introduzindo uma fonte de combustível fóssil.
“Portanto, ao capturar esse calor, armazená-lo e reinjetá-lo, você elimina a necessidade de introduzir outro combustível”.
Ainda assim, Clennell disse que parte da energia seria perdida na forma de calor.
“Algumas perdas ocorrerão em processos de transferência de calor”, disse ele.
“Então, à medida que o ar se expande, haverá algum atrito e será gerado mais calor que não será totalmente recuperado, e assim por diante.
“Portanto, há perdas nas máquinas, nas tubulações e nos trocadores de calor”.
Os sistemas de ar comprimido não eram tão eficientes quanto o armazenamento de energia hidrelétrica bombeada, disse Graham Nathan, diretor de pesquisa do Centro de Pesquisa Cooperativa de Transição de Baixo Carbono da Indústria Pesada (HILT CRC).
“Quero dizer, 66% (de eficiência) é muito bom, mas ainda é muito ruim. Você gostaria de conseguir 95%, mas é claro que nunca chegaria lá.”
disse.
Porquê armazenar energia com ar comprimido?
Apesar de ser menos eficiente do que outras formas de armazenamento de energia, o armazenamento de energia por ar comprimido apresenta algumas vantagens importantes.
Grandes quantidades de ar podem ser armazenadas de forma relativamente barata, disse o professor Nathan.
“As baterias seriam mais eficientes, mas custariam muito mais e não seria possível obter coisas desse tamanho sem serem muito, muito mais caras”, disse ele.
O professor Graham Nathan diz que o armazenamento de energia com ar comprimido é uma forma econômica de armazenar grandes quantidades de energia. (Fornecido: HILT CRC)
O professor Garvey disse que o ar comprimido também pode armazenar energia por mais tempo do que as baterias de íons de lítio.
“As baterias tendem a ser ótimas soluções de armazenamento de energia que descarregam por períodos de tempo relativamente curtos, como até quatro horas”, disse ele.
“(Mas) a maior parte da ação que acontece com o armazenamento de energia… acontece durante um período médio de tempo.”
Quatro horas de armazenamento de energia são úteis para fornecer energia solar armazenada às casas à noite, após o pôr do sol, mas não são tão úteis para satisfazer a procura durante a noite e na manhã seguinte.
O armazenamento de energia de 4 a 12 horas é conhecido como “meia duração”.
As tecnologias nesta área incluem o armazenamento de energia como calor em blocos térmicos, ou como energia potencial na forma de pesos suspensos em guindastes, ou novos tipos de tecnologias de baterias atualmente em teste, como baterias de fluxo redox de vanádio.
O Professor Garvey criou recentemente uma Aliança para Armazenamento de Energia de Média Duração para ajudar a reconhecer que o armazenamento de energia de média duração é diferente do armazenamento de energia de curta e longa duração.
De quanto armazenamento médio de energia a Austrália precisa?
A Austrália precisa de 10 a 20 vezes mais armazenamento de energia de todos os tipos até 2050 para cumprir a sua meta de emissões líquidas zero, de acordo com o CSIRO.
Até 2030, cerca de um quarto do armazenamento de energia deverá ser de média duração, de acordo com o Australian Energy Market Operator, que também prevê uma forte procura.
Nova Gales do Sul legislou uma meta de 2 gigawatts para armazenamento com duração de pelo menos oito horas até 2030.
Você está a menos da metade do caminho para seu objetivo.
“Vemos isso como um elemento muito importante da tecnologia de armazenamento de energia no futuro”, disse o Dr. Clennell.
