Armazenamento de eletricidade: os diferentes métodos

Armazenamento de eletricidade: a bateria de iões de lítio e as suas alternativas

Comercializadas desde o início da década de 1990, as baterias de iões de lítio assumiram um papel preponderante no mercado das baterias nas últimas décadas. Esta tecnologia reúne inúmeras vantagens que explicam o seu crescimento, tanto no que diz respeito à alimentação de telemóveis como de carros elétricos. Estas baterias de iões de lítio, em particular a sua densidade energética em termos de autonomia, permitem satisfazer as exigências da indústria automóvel.

As baterias de tração de um veículo elétrico têm de cumprir um caderno de encargos muito rigoroso: custo, intervalo de temperatura útil, durabilidade, capacidade de recarga rápida, etc. Alguns destes critérios são difíceis de conciliar, nomeadamente a densidade energética e a potência. As equipas de investigação e desenvolvimento envidam, por isso, esforços contínuos para otimizar a relação autonomia/potência e melhorar todas as propriedades das baterias de iões de lítio. No âmbito da mobilidade sustentável, esta otimização anda a par com a procura de processos que reduzam o impacto das baterias no ambiente, nomeadamente para facilitar a sua reciclagem.

Baterias «sólidas» para uma maior eficiência?

O setor das baterias está a evoluir para novas tecnologias que visam, nomeadamente, substituir o processo clássico de eletrólito líquido utilizado nas baterias convencionais. Assim, os fabricantes estão a estudar as chamadas baterias «totalmente sólidas», que oferecem uma simplificação dos materiais utilizados, uma melhor gestão da temperatura de funcionamento e a possibilidade de aumentar a densidade energética das células. Esta é, nomeadamente, a via explorada pelos especialistas em «lítio-metal», na qual uma superfície sólida de lítio funciona como pólo negativo no interior da bateria.

Fala-se também de baterias híbridas, com diferentes materiais sólidos, ou de baterias semissólidas como próxima alternativa aos modelos clássicos. Mas todas estas hipóteses ainda estão longe de se concretizar: a sua comercialização no domínio dos veículos elétricos não deverá ocorrer antes de alguns anos, ou mesmo décadas.

A aliança Renault-Nissan-Mitsubishi investiu, assim, na start-up norte-americana Ionic Materials, especializada nas chamadas «baterias sólidas». O eletrólito líquido atualmente utilizado nas baterias é substituído por um material sólido, como, por exemplo, um polímero. Esta tecnologia promissora ainda necessita de muitos avanços para se afirmar como uma alternativa às baterias atuais, nomeadamente para os veículos elétricos!

Outras vias de armazenamento eletroquímico

As baterias de fluxo (ou «baterias redox flow») utilizam dois reservatórios que contêm os reagentes e uma membrana condutora de iões. A sua vantagem reside no facto de separarem a componente «energia» da componente «potência». No entanto, as densidades de energia são demasiado baixas para uma aplicação automóvel. Por outro lado, esta tecnologia encontra aplicações no armazenamento estacionário.

Outra opção: o sódio. Este elemento, que pertence à mesma família que o lítio — a dos alcalinos —, pode ser «substituído» por este último para se obterem as chamadas «baterias de iões de sódio». O sódio é um elemento mais abundante do que o lítio e as suas características permitem um desempenho em termos de potência superior. Esta tecnologia ainda se encontra em fase de desenvolvimento: embora o sódio já seja utilizado no domínio do armazenamento estacionário (a alta temperatura), a sua aplicação em grande escala nas baterias dos nossos veículos está, por enquanto, a ser explorada por algumas start-ups que procuram industrializar o processo.

A composição dos diferentes elementos de uma bateria está sujeita a evoluir consoante a via de investigação estudada. Assim, a tecnologia metal-ar consiste na utilização de um elétrodo metálico que se dissolve e se reformula durante os ciclos de descarga/carga, tendo em frente um elétrodo que capta o oxigénio do ar para o envolver na reação, tal como numa pilha de combustível. O lítio e o zinco podem, por exemplo, ser utilizados como elétrodos. Em certos casos, a recarga não é feita eletricamente, mas sim mecanicamente, como acontece com o alumínio, que requer a inserção de «cartuchos» deste metal. No entanto, esta solução ainda não está suficientemente madura face às elevadas exigências da aplicação automóvel.

Por fim, as propriedades químicas dos metais podem constituir uma via de investigação com vista ao desenvolvimento de uma nova tecnologia. Por exemplo, numa bateria de iões de lítio, a produção de corrente é impulsionada, entre outras coisas, pelo transporte de iões de lítio. Cada ião de lítio transporta uma carga. Se um elemento químico fosse capaz de fornecer o dobro dessa carga, a capacidade da bateria ver-se-ia aumentada. Teoricamente, é o caso de metais como o cálcio ou o magnésio, que possuem essa propriedade (são designados «divalentes» por esse motivo). Como este conceito corresponde a investigações realizadas principalmente em laboratórios universitários, ainda são necessários avanços significativos para garantir a durabilidade de outros componentes da célula.

Sistemas de armazenamento mecânicos de alto desempenho

O armazenamento de energia sob a forma de eletricidade não é a única possibilidade existente neste domínio. A energia mecânica também tem um papel a desempenhar, como comprova a utilização do sistema de bombagem-turbinagem. Neste processo, é a ação de uma turbina acionada pela subida e descida da água num reservatório que serve para armazenar e, posteriormente, libertar energia, seguindo o mesmo princípio de uma barragem hidroelétrica. A eletricidade assim produzida permite comprimir ar em imensas cavidades, e a energia é armazenada sob esta forma até ser «libertada» por descompressão e pela ação de uma turbina.

Hoje em dia, fala-se até de baterias de «betão»: blocos de betão suspensos libertam energia ao serem «baixados» repentinamente. São tantos exemplos das inúmeras possibilidades do armazenamento mecânico, que continua a ser, acima de tudo, uma infraestrutura de armazenamento fixa.

Baterias para cidades autossuficientes

Após alguns anos e inúmeros ciclos de recarga, a capacidade de uma bateria de um carro elétrico diminui. Fabricantes como a Renault reutilizam-nas, para que essas baterias sirvam para o armazenamento estacionário de eletricidade. Trata-se de uma tecnologia que permite abastecer um edifício ou um bairro durante os períodos de interrupção do fornecimento de energia e utilizar de forma otimizada a energia descarbonizada fornecida pelas centrais solares e eólicas.

O desafio é de grande importância, uma vez que a transição ecológica passa tanto por uma adaptação da produção — que pode ser realizada diretamente na cidade graças aos painéis fotovoltaicos — como pela otimização da rede, em pequena ou grande escala, para tornar cada vez mais zonas autossuficientes em termos energéticos. Uma vantagem para a segurança e a continuidade do abastecimento elétrico!

Outra possibilidade em estudo: o «vehicle-to-grid» (V2G), testado pela Mobilize na Holanda, que consiste em reinjetar a eletricidade de baixo carbono de um carro elétrico diretamente na rede. A bateria de um Renault ZOÉ, quando ligada a um ponto de carregamento, serve assim para armazenar energia. Esta tecnologia inovadora anda a par com a implementação do carregamento inteligente no próprio interior dos veículos. Prova de que, para além de refletirem sobre soluções alternativas, os fabricantes estão a otimizar as utilizações atuais para alcançar uma produção e distribuição de eletricidade com menores emissões.