A tecnologia de baterias é frequentemente associada ao risco de escassez de matérias-primas. Uma transição energética baseada em altas participações de fontes renováveis e maior eletrificação exigiria grandes capacidades de armazenamento em baterias, tanto estacionárias quanto móveis, mas há preocupações sobre a disponibilidade de lítio para atender a essa demanda. Embora a criticidade desse material seja uma questão relevante, estudos anteriores indicam que a reciclagem em larga escala, a integração dos veículos à rede elétrica (V2G, na sigla em inglês) e o uso de meios de transporte com menor demanda por lítio, incluindo os que não utilizam baterias, serão necessários.
Um estudo recente examinou uma das alternativas mais promissoras às baterias de íons de lítio: as baterias de íons de sódio. Diferentemente das primeiras, as baterias de íons de sódio utilizam matérias-primas abundantes, com exceção de alguns materiais empregados no cátodo. Os ânodos podem ser fabricados com carbono duro, em vez de grafite natural, e o alumínio, mais abundante e barato, pode substituir o cobre como coletor de corrente do ânodo.
Simulações anteriores de sistemas energéticos estimaram uma demanda de aproximadamente 75 TWh de capacidade de armazenamento em baterias estacionárias até 2050. Para as baterias móveis, uma estimativa apontou um papel predominante, com capacidade de armazenamento de quase 275 TWh até meados do século. Resultados mais recentes indicam uma relação de aproximadamente 0,8 kWh de capacidade de bateria por kW de potência fotovoltaica instalada em um sistema energético global, totalmente renovável, flexível e otimizado em custos. Incluindo a demanda por baterias para eletrônicos e outras aplicações, a necessidade total pode superar 350 TWh até 2050.
Uma avaliação de custos de baixo para cima, da célula ao sistema, mostrou que as baterias de íons de sódio já estão próximas da paridade de custos com as de íons de lítio. Em 2025, os custos no nível do sistema foram estimados em cerca de € 120/kWh de capacidade. Dependendo das taxas de aprendizado tecnológico consideradas, esse valor pode cair para uma faixa de € 28,5 a € 51,9/kWh até 2050. Os resultados indicam que as baterias não precisam se tornar um gargalo da transição energética, nem por limitações de matérias-primas nem por custos. Além disso, por serem uma tecnologia que pode ser incorporada às linhas de produção existentes, as baterias de íons de sódio podem ser fabricadas em instalações originalmente projetadas para baterias de íons de lítio.
Prosumidores fotovoltaicos: além do armazenamento estacionário
Os prosumidores de energia solar fotovoltaica — agentes que produzem e consomem eletricidade — não precisam necessariamente de baterias para garantir o fornecimento. Conectados à rede elétrica, podem injetar na rede a energia excedente gerada pelos sistemas fotovoltaicos instalados nos telhados e receber por ela, além de consumir eletricidade da rede nos períodos de baixa ou nenhuma geração solar. No entanto, a alta dos preços da eletricidade e a queda dos custos das baterias podem tornar economicamente vantajosa a instalação de sistemas de armazenamento para reduzir o custo total do suprimento de energia.
Um estudo pioneiro sobre a otimização dos custos de energia para prosumidores fotovoltaicos já havia demonstrado os benefícios dos sistemas que combinam geração solar e baterias para reduzir o custo total do suprimento energético. Um fator importante é a eletrificação do aquecimento, por meio de resistências elétricas ou bombas de calor. O baixo custo dos sistemas fotovoltaicos ajuda a compensar a menor geração dos módulos instalados em telhados residenciais, que produzem cerca de 18% menos eletricidade do que os sistemas instalados no solo, segundo um estudo. A combinação da geração solar com baterias estacionárias permite atender a uma parcela elevada da demanda e ampliar a participação da energia solar no aquecimento. O dimensionamento ideal das baterias também depende da inclusão de veículos elétricos. Os maiores benefícios foram observados quando os carros podem fornecer eletricidade à residência, por meio da tecnologia veículo-casa (V2H, na sigla em inglês).
Em um estudo posterior, os pesquisadores investigaram se o armazenamento sazonal de hidrogênio poderia trazer benefícios para sistemas fotovoltaicos residenciais. Até então, essa alternativa de armazenamento de longo prazo era considerada uma solução de nicho, sobretudo para países nórdicos e sistemas isolados, mesmo diante de um potencial significativo de redução de custos.
Com um modelo de otimização atualizado, os pesquisadores demonstraram que a maioria das regiões analisadas deverá atingir a paridade com a rede elétrica até 2035, enquanto mais da metade já havia alcançado esse patamar em 2020. O modelo aprimorado também confirmou a importância das baterias. Nos sistemas conectados à rede, a relação máxima entre a capacidade das baterias e a potência fotovoltaica instalada ficou entre 1,6 e 1,8 kWh/kW. Nos sistemas isolados, essa relação aumenta para 3 a 4 kWh/kW.
Carregamento inteligente e integração dos veículos à rede (V2G)
A frota mundial de veículos elétricos está crescendo rapidamente, acumulando uma capacidade de armazenamento em baterias da ordem de terawatts-hora e impulsionando a demanda por energia solar fotovoltaica. Aproveitar essa capacidade para equilibrar o sistema elétrico é uma alternativa promissora à medida que aumenta a participação das fontes renováveis variáveis na geração de eletricidade.
O carregamento inteligente, por si só, oferece flexibilidade ao deslocar o consumo de eletricidade para períodos de maior geração renovável e reduzi-lo nos momentos de menor oferta. A tecnologia V2G amplia esse potencial ao transformar os veículos elétricos em unidades móveis e distribuídas de armazenamento, capazes de devolver eletricidade à rede quando necessário.
Um estudo sobre os efeitos do carregamento inteligente e do V2G confirmou benefícios significativos para o sistema energético. Segundo a análise, essas tecnologias podem reduzir em cerca de 50% a capacidade instalada necessária de sistemas de armazenamento em baterias de grande porte. Isso diminui indiretamente a demanda por matérias-primas críticas para baterias e a necessidade de outras tecnologias de armazenamento. A adoção dessas duas soluções também pode reduzir em aproximadamente 4% o custo anual total do sistema energético.
A integração dos veículos à rede, porém, não pode ser considerada gratuita. Os proprietários precisam receber incentivos para participar e compensação pelo desgaste adicional das baterias. O papel e os benefícios do V2G dependerão, portanto, do custo desse serviço para o sistema elétrico. Ainda assim, mesmo com custos de € 50 a € 100/MWh, a tecnologia continua oferecendo vantagens sistêmicas.
Um dos principais desafios é a infraestrutura pública necessária para permitir que os veículos elétricos carreguem e devolvam eletricidade à rede em corrente alternada (CA) com qualidade adequada enquanto estão estacionados. Essa infraestrutura é especialmente importante nos horários de pico da geração fotovoltaica, por volta do meio-dia, quando a capacidade adicional de armazenamento tem maior valor para o sistema.
As perspectivas para a flexibilidade do sistema elétrico
A flexibilidade é necessária para lidar com a variabilidade das fontes renováveis, cuja geração depende das condições climáticas. Nesse contexto, os sistemas de armazenamento de energia em baterias ganharam destaque como uma das principais tecnologias para oferecer flexibilidade. Entre suas vantagens estão a alta densidade energética, a resposta rápida, a confiabilidade do fornecimento, a capacidade de sustentar a descarga e a possibilidade de instalação em diferentes locais.
A queda contínua dos custos de fabricação fortaleceu o papel das baterias na integração das fontes renováveis, especialmente da energia solar fotovoltaica. Uma revisão abrangente das opções de flexibilidade, baseada em mais de mil artigos científicos, concluiu que as baterias oferecem uma combinação atraente de resposta rápida, modularidade, eficiência e maturidade tecnológica em comparação com outras opções de armazenamento, como as usinas hidrelétricas reversíveis, o armazenamento térmico e o hidrogênio.
Isso não significa, contudo, que as baterias devam substituir as usinas hidrelétricas reversíveis. As duas tecnologias são complementares e podem atender às mesmas necessidades do sistema de maneiras distintas, como também mostra um estudo sobre a Índia.
Um dos principais fatores que sustentam a competitividade das baterias como solução de flexibilidade é a redução contínua de seus custos, apesar das oscilações nos preços das matérias-primas. Essa tendência é observada tanto nas aplicações móveis quanto nas estacionárias, evidenciando a versatilidade da tecnologia e sua crescente competitividade em diferentes mercados.
O avanço tecnológico, impulsionado pela inovação contínua, deve contribuir para acelerar a expansão da energia solar fotovoltaica no cinturão solar global (Sunbelt) e em outras regiões, como a África, especialmente em aplicações isoladas da rede.
A expansão da energia solar fotovoltaica em larga escala depende, em parte, da disponibilidade de soluções para armazenar eletricidade, sobretudo baterias. Uma análise recente sobre os marcos da energia solar fotovoltaica em cenários de transição energética reforça essa relação. Outra pesquisa projeta que a energia solar fotovoltaica poderá responder, em média, por cerca de 61% da oferta global de energia primária até meados do século, nos cenários de transição energética analisados (estudo).
A energia solar fotovoltaica também deverá desempenhar um papel importante fora do cinturão solar. Em redes elétricas pequenas e isoladas, como as de ilhas, e em sistemas sem conexão à rede, a alta dos custos do diesel, combinada à queda acelerada dos custos das tecnologias renováveis, aumentou a competitividade dessas fontes e a relevância do armazenamento em baterias. Essa tendência favorece a adoção de sistemas autônomos e descentralizados, que combinam baterias com geração solar fotovoltaica e eólica.
Autores: Dominik Keiner, Siavash Khalili, Dmitrii Bogdanov e Christian Breyer
Este artigo faz parte de uma coluna mensal da LUT University.
A pesquisa da LUT University abrange sistemas de energia, aquecimento, transporte, indústria, dessalinização e opções de remoção de CO₂. A pesquisa em Power-to-X é um dos temas centrais da universidade e está integrada às áreas de Recursos Planetários, Negócios e Sociedade, Revolução Digital e Transição Energética. A energia solar desempenha um papel fundamental em todas essas frentes de pesquisa.
