Barreiras à implementação do armazenamento de baterias nos Estados Unidos: preço e produtos

Embora os EUA tenham actualmente uma variedade de tecnologias que poderiam descarbonizar a rede, as barreiras sociais, financeiras e também políticas podem impedir que estas tecnologias modernas sejam implementadas no prazo necessário para suprimir as alterações ambientais. Esta perspectiva destaca duas das maiores barreiras à implantação de espaço de armazenamento de bateria: preço e também produtos. As despesas com espaço de armazenamento de bateria convencional, tecnologia moderna, especificamente, normalmente continuam a ser muito altas. Um grupo de estudo do Instituto de Tecnologia Moderna de Massachusetts explorou uma coleção de estratégias políticas e também financeiras desenvolvidas e fornecidas pelo governo dos Estados Unidos para anunciar a liberação de espaço de armazenamento de energia mais rapidamente e também minimizar os preços. Uma consideração essencial do aumento dos preços é o valor relativamente alto dos materiais das baterias, manteve o relatório em mente. E uma cadeia de abastecimento mais pequena e simplificada destaca a urgência dos produtos de bateria, aumentando as taxas e desafiando a rápida expansão. Existem fatores para isso além dos serviços tecnológicos e económicos, alguns dos quais são analisados ​​pelo MIT. Muitas vezes, existe alguma parceria contrastante entre a vantagem competitiva de uma empresa (ou seja, layout exclusivo e também produção) e a produção extra-económica (ou seja, centralização, padronização, etc.) que deve ser superada através de recompensas políticas e económicas. Em última análise, é necessária maior urgência nos campos de investimento público e exclusivo para abordar a modificação ambiental com o rápido crescimento e também a implementação das soluções mais eficazes.

Entre as soluções mais cruciais para evitar alterações climáticas adicionais está a descarbonização do sector da energia eléctrica. De acordo com dados divulgados pela Energy Details Administration (EIA) dos Estados Unidos, em 2020, o total de emissões de carbono geradas pelo mercado de energia representou cerca de 32% do total de emissões de carbono nos EUA. Ao utilizar fontes de energia renováveis, como a energia eólica e solar, a energia pode ser produzida sem libertar dióxido de carbono, o principal poluente que provoca o aquecimento global. No entanto, a energia renovável enfrenta problemas recorrentes de geração porque o seu fornecimento depende de condições climáticas que são incertas, bem como do controlo humano passado, o que constitui uma diferença substancial em comparação com as instalações de produção de combustíveis fósseis que podem fornecer mais energia a qualquer momento. Existem várias soluções para lidar com a intermitência e garantir que a procura é sempre satisfeita: por exemplo, as instalações de produção de energia renovável podem ser sobreconstruídas para que, quando o sol ou o vento forem inadequados, a energia eléctrica criada ainda possa satisfazer a procura de oferta. No entanto, esta abordagem é dispendiosa e implica restrições. Outro serviço é utilizar uma quantidade mínima de fornecimento de energia gerenciável (como hidrogênio ecológico, bem como energia nuclear, etc.), de preferência energia normalmente organizada que não crie CO2 (como hidrogênio verde, amônia, combustível biológico, etc.). No entanto, estas inovações emergentes ainda lutam para alcançar métricas viáveis ​​de custos e eficiência quando geradas utilizando procedimentos neutros em carbono. Embora sejam necessários vários métodos, os sistemas de espaço de armazenamento de energia são uma solução extremamente promissora, além de oferecerem uma ampla gama de opções de design.

A facilidade de ocupar espaço de armazenamento de energia é converter a energia elétrica fornecida por recursos renováveis ​​em outros tipos de energia, como energia térmica, energia eletroquímica, energia e assim por diante, quando o fornecimento de energia for suficiente, que pode ser armazenado bem como liberado para atender a demanda durante a duração do fornecimento. As instalações de geração hidrelétrica bombeada têm sido um tipo de espaço de armazenamento de energia eficaz e bem documentado há mais de 100 anos; de acordo com o Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE), a hidrelétrica bombeada atualmente representa todos os sistemas de armazenamento de energia em escala de serviço público nos Estados Unidos, 95% da capacidade do espaço de armazenamento de energia. No entanto, é necessária mais capacidade de espaço de armazenamento de energia para descarbonizar a rede a um nível mais elevado: de acordo com o relatório do estudo da Administração de Informação de Energia dos EUA (EIA), os EUA têm atualmente menos de 2 GW de sistemas de espaço de armazenamento de energia à escala dos serviços públicos implantados, bem como centenas de gigawatts de espaço de armazenamento de energia poderão ser necessários em 2050 para ajudar na descarbonização profunda. A hidrelétrica bombeada é difícil de escalar devido ao fato de que geralmente só é lucrativa para grandes projetos de espaço de armazenamento de energia de capital intensivo, bem como os locais de implementação são restritos por limitações geográficas e também permitem limitações. Além disso, a rede é um conjunto de serviços, cada um dos quais depende de várias características de potência e também de exigências de potência, tempos de reação, etc., exigindo uma variedade de serviços de espaço de armazenamento de energia. A estatística mais comum usada para ajudar a descobrir se uma tecnologia moderna de armazenamento de energia é prática e economicamente ideal para uma aplicação é o “período”, que também representa o momento necessário para carregar totalmente ou reenergizar uma bateria. Portanto, opções para execução em diversas durações podem ser exploradas. Devido ao grande espaço de design que oferecem para atingir uma série de períodos e também às várias outras vantagens abordadas neste artigo, as baterias usam uma série de tecnologias atraentes de espaço de armazenamento de energia para trabalhos de armazenamento de energia.

Uma bateria é um dispositivo de armazenamento eletroquímico que utiliza a diferença de energia entre as reações 'redox' para transformar energia elétrica, consequentemente economizando energia elétrica como energia química ou economizando energia elétrica a partir de energia química. As baterias têm muitas vantagens potenciais sobre vários outros tipos de tecnologias de armazenamento de energia. Por exemplo, as reações eletroquímicas são geralmente muito mais confiáveis ​​do que as respostas termoquímicas em uma rede descarbonizada (e também, geralmente, em uma rede energizada) devido à liberação direta de energia elétrica (geralmente em níveis normais de temperatura e pressão).

Além disso, existem vários planos de armazenamento de energia de reação redox para escolher, proporcionando um amplo espaço de layout para tecnologias modernas de armazenamento de energia baseadas em aplicações. Por exemplo, considere a variedade de baterias comerciais utilizadas em produtos eletrônicos de consumo, que representam apenas uma pequena parte dos sistemas de espaço de armazenamento de energia de bateria em escala de rede disponíveis para uso em vários designs: bateria de íon de lítio, chumbo-ácido, níquel-cádmio, zinco-carbono, etc. Estes benefícios permitem que as baterias sejam utilizadas não apenas para operações de rede após a descarbonização, mas também para oferecer valor acrescentado como serviços secundários; por exemplo, as baterias contribuem para aumentar a independência energética e também a fiabilidade. Leve em consideração o colapso da rede elétrica de Porto Rico durante a tempestade Maria em 2017. Projetos de microrredes dispersas, incluindo instalações de geração de recursos renováveis ​​e sistemas de espaço de armazenamento de energia, podem evitar grandes cortes de energia trágicos. Isto ocorre porque a geração dispersa reduz a construção e modernização da estrutura de transmissão (como linhas de energia e postes de serviços públicos) que dispersam energia, mas estão em risco de eventos climáticos severos.

Além disso, a produção de energia dispersa elimina a possibilidade de um único ponto de falha. Certamente, as preocupações políticas de vizinhança, bem como as preocupações com a liberdade financeira, também devem ser tidas em consideração. Muitos países não possuem grandes recursos de fontes de combustível não renováveis ​​economicamente práticos, pelo que uma mudança no mercado de energias renováveis ​​poderia melhorar a produção doméstica de energia, diminuir a necessidade de importações de energia e, consequentemente, aumentar a liberdade geopolítica. Os Estados Unidos reconhecem especificamente os desafios financeiros que a dependência energética pode representar, tendo experimentado escassez de petróleo gerada geopoliticamente nas décadas de 1970 e 1980.

Existem muitos tipos de tecnologias de bateria hoje, cada uma com vários designs de modelos, muitos dos quais podem se adequar a uma série de produtos químicos, bem como usar uma seleção de alternativas. As baterias de íons de lítio (LIB) são consideradas a principal tecnologia de bateria; na década de 1990 e posteriormente, as baterias de íons de lítio foram usadas principalmente em dispositivos eletrônicos e móveis, enquanto nos últimos anos, as baterias de íons de lítio são usadas principalmente em sistemas estacionários de armazenamento de energia, bem como em veículos elétricos (EV) nesses dois mercados de grande escala. A maioria das inovações em baterias pensadas para utilização no sector da energia ainda são relativamente prematuras e podem exigir um estudo abrangente de pesquisa de tentativa e erro, mas os trabalhos alcançados até à data têm sido, na verdade, pequenas implementações ou procedimentos comerciais mínimos, muitas vezes devido ao facto de ainda terem um desempenho insatisfatório ou serem apenas apropriados para aplicação na rede. Exemplos de tais inovações consistem em baterias de circulação redox (RFB) e também baterias de metal-ar (MAB).

De acordo com a Agência Internacional de Energia, até 2030, a maior parte da redução nas descargas de CO2 virá certamente de tecnologias modernas actualmente lançadas ou actualmente no mercado, e também até 2050, cerca de cinquenta por cento da redução de carbono dependerá de inovações actualmente em fase de demonstração ou protótipo de inovação energética. Assim, os governos federais, bem como as culturas, estão praticamente no caminho certo para abordar a modificação ambiental. No entanto, existem vários outros potenciais obstáculos sociais, financeiros e políticos que precisam de ser vencidos para garantir que as tecnologias modernas de energia ideal sejam implementadas com rapidez suficiente para que estas reduções sejam grandes o suficiente para evitar danos em maior escala (Figura 1). Embora estes factores a considerar não sejam independentes dos aspectos técnicos, podem exigir abordagens e soluções diferentes. Este trabalho verifica dois desafios cruciais na implementação mais ampla de baterias: preço da bateria e restrições de produto. Existe atualmente uma série de tecnologias de baterias com atributos de eficiência adequados, mas os elevados custos iniciais podem atrasar ou impedir uma promoção mais ampla, especificamente nas atuais baixas escalas de produção. Por último, mesmo que uma determinada tecnologia de bateria satisfaça as métricas essenciais de preço e também de desempenho, a acessibilidade e a cadeia de abastecimento dos seus componentes vitais podem impedir uma integração rápida e profunda. Portanto, estas preocupações devem ser resolvidas o mais rapidamente possível para alcançar os principais objetivos de descarbonização. Este trabalho descobre técnicas financeiras e políticas para superar ou contornar essas barreiras.
Barreira Principal 1: Custo da Bateria

O custo é um fator central a considerar para saber se as baterias podem ser utilizadas em aplicações de armazenamento de energia na rede. Ao contrário de outros mercados de baterias, como dispositivos clínicos, dispositivos eletrónicos de consumo, camiões elétricos, etc., as aplicações de rede necessitam de serviços de energia limpa com custos muito mais baixos para competir com instalações de produção de combustíveis fósseis acessíveis. Dado que a libertação da rede exige grandes investimentos, exigindo frequentemente acesso a financiamento (por exemplo, financiamento), o custo dos recursos tem sido tradicionalmente uma barreira significativa à adopção de recursos renováveis ​​e, portanto, também uma indicação central da sua viabilidade técnico-económica. Para baterias, o custo geralmente depende do preço do material, bem como da faixa de fabricação. O Departamento de Energia dos Estados Unidos geralmente coloca entre US$ 100/kWh e US$ 150/kWh como limite para as despesas de financiamento de um sistema de armazenamento de energia de rede financeiramente viável.

As baterias de íons de lítio são atualmente uma das tecnologias de armazenamento de energia de bateria mais utilizadas em aplicações de rede. As baterias de íon-lítio foram capazes de acelerar seu desenvolvimento desde a década de 1990, quando foram utilizadas pela primeira vez em multidões em mercados de alto valor, como dispositivos eletrônicos de consumo e caminhões elétricos. Nestes mercados, os fornecedores de baterias podem comercializar produtos de baterias muito menos avançados e com preços mais elevados, uma vez que são a única opção. Isso possibilita que baterias de íons de lítio sejam criadas em escala e também em preço, ao mesmo tempo em que maximiza ainda mais o desempenho. Portanto, quando esta tecnologia é levada em consideração para sistemas espaciais de armazenamento de energia, as baterias de íons de lítio têm mostrado uma forte eficiência, o desempenho de carga e descarga desta bateria é agora muito alto, geralmente tão alto quanto 95%, e a cadeia de fornecimento é estabelecida para garantir que o preço seja mais baixo. Especificamente com o desenvolvimento dos automóveis eléctricos, o preço das baterias de iões de lítio caiu drasticamente nos últimos anos; As baterias de iões de lítio, constituídas por células de bateria montadas e sistemas de administração e também de segurança, caíram dentro do intervalo possível definido pelo Departamento de Energia dos EUA (cerca de 140 USD/kWh), prevendo-se que caiam abaixo dos 100 USD/kWh no futuro. A capacidade de produção internacional de baterias de íons de lítio é estimada em mais de 700 GWh anualmente e hoje representa um setor de quase US$ 50 bilhões. Embora este seja um excelente desenvolvimento, ainda é necessária uma série de soluções para permitir todos os serviços da rede e alcançar uma descarbonização profunda. Além disso, as questões da cadeia de abastecimento analisadas na próxima secção podem impedir a implementação de sistemas de armazenamento de energia com baterias de iões de lítio. Várias outras tecnologias modernas de baterias oferecem serviços ainda mais económicos, especialmente em períodos mais longos (mais de 4 horas), mas não beneficiam dos mesmos problemas de mercado que as baterias de iões de lítio e têm dificuldade em enfrentar.

Numerosos designs e produtos alternativos de baterias têm vantagens fundamentais de preço em comparação com as baterias de íon-lítio. As baterias de circulação, por exemplo, usam um design de sistema que divide potência e potência de maneira única, indicando que as duas podem ser dimensionadas independentemente uma da outra. Isso permite um crescimento acessível da capacidade de armazenamento de energia, tornando essas baterias muito mais competitivas em termos de custo por períodos mais longos. Por outro lado, um sistema fechado como uma bateria de íons de lítio combina potência e potência, tornando o custo de sua unidade de armazenamento de energia um critério razoavelmente fixo. Embora tenha sido apontado que o custo de longo prazo é um fator menos a ser considerado em comparação com os custos iniciais, o estilo aberto de uma bateria de fluxo (RFB) ou bateria de metal-ar (MAB) também facilita a economia de despesas de longo prazo, permitindo a manutenção direcionada dos componentes. Pode-se reabastecê-lo ou trocá-lo diretamente com o eletrólito (o componente depreciativo mais rápido da bateria), enquanto sistemas fechados típicos, como baterias de íons de lítio, precisam melhorar ou substituir toda a bateria, o que gera uma certa quantidade de resíduos. Em última análise, também existem baterias que utilizam produtos de menor custo e maior conteúdo do que as baterias de íon-lítio, reduzindo custos potenciais.

Apesar destes benefícios inerentes, as soluções de armazenamento de energia emergentes têm dificuldade em ser concluídas por vários motivos. Inicialmente, embora o estilo ideal de uma rede profundamente descarbonizada integre uma série de serviços de armazenamento de baterias, este cenário está muito longe dos factos existentes. Dado que estas inovações em baterias totalmente novas são, na verdade, apenas económicas para aplicações à escala da rede e também não podem entrar em mercados de maior valor, não está claro exatamente como diminuir os preços, bem como aumentar a eficiência, para que possam competir com as baterias de iões de lítio quando surgirem as necessidades.

O agravamento desta questão do ovo e da galinha é mais um enigma semelhante: estas inovações emergentes são naturalmente mais arriscadas. Isto torna-as menos atraentes para os supervisores de projetos, patrocinadores ou outros tomadores de decisões, tornando estas tecnologias modernas muito menos adotadas e mostradas, bem como um resultado consistentemente considerado arriscado. Devido a esses obstáculos, vários projetos que propõem o uso dessas tecnologias emergentes de baterias têm lutado para proteger o financiamento com investimentos corporativos, finanças de trabalho e muito mais. Estes problemas podem não ser resolvidos apenas pelo sector privado, e o tratamento do governo federal pode diminuir o perigo tecnológico e também reduzir o preço das soluções emergentes para o espaço de armazenamento de energia que são apenas atraentes para a rede, mas que podem contribuir para uma descarbonização profunda. Normalmente, as demonstrações em grande escala terão certamente de ser testadas e também sustentadas com aquisições diretas. Uma maneira de conseguir isso é por meio do financiamento do governo federal para tarefas de apresentação de negócios, como foi feito anteriormente com a Lei Americana de Recuperação e Reinvestimento. Atualmente, a Divisão de Energia dos EUA fornece financiamento considerável para projetos de demonstração de espaços de armazenamento de energia. No entanto, este financiamento tem sido historicamente concedido a laboratórios de investigação nacionais dos Estados Unidos, e não através de uma solicitação pública, o que envolveria o sector privado e também potencialmente aceleraria o progresso. Além disso, o governo dos EUA pode desenvolver um programa especializado para apresentações de armazenamento de energia na rede, que se mostrou promissor em muitos dos seus projectos de desenvolvimento em fase inicial. Esta necessidade foi recentemente parcialmente satisfeita pelo Programa de Estudos de Pesquisa Avançada da Agência de Energia (ARPA-E) da Divisão de Energia dos EUA para Avanços Importantes em Tecnologias Energéticas com Possíveis Inexplorados. Da mesma forma, o Gabinete de Demonstração de Energia Limpa dos EUA é mais um passo na melhor direção: a empresa foi criada em 2021 com o objetivo de apresentar grandes projetos de armazenamento de energia (até mil milhões de dólares) e também de trabalhar com o setor privado para acelerar a adoção e também a implantação de tecnologias modernas de energia limpa.

Existem hoje tecnologias que podem contribuir para a descarbonização do campo energético. No entanto, existem preocupações sobre a capacidade de criar e também implementar estas tecnologias modernas de forma rápida e económica, uma tarefa que não está actualmente em vigor. Com os incentivos apropriados, o tratamento governamental pode ajudar a alcançar e acelerar os resultados desejados. Além disso, uma variedade de abordagens e procedimentos podem ajudar a superar alguns destes obstáculos, se utilizados com sabedoria e rapidez. Apesar da abordagem, é necessário tempo e a acessibilidade ao investimento público e também exclusivo é crítica