O armazenamento de energia tem aplicações promissoras em edifícios e na geração de energia limpa. Embora a mídia tenha recentemente se concentrado nas baterias de íon-lítio, existem outras formas viáveis de armazenamento de energia, e um exemplo é o armazenamento de calor. Dado que o aquecimento ambiente e a água quente representam uma grande parte do consumo de energia nos edifícios dos EUA, as oportunidades de utilização do armazenamento de calor são abundantes.
Um sistema de armazenamento de calor pode ser tão simples quanto um tanque de água com isolamento eficaz, uma vez que a água pode reter grandes quantidades de calor num volume compacto. Quando um metro cúbico de água reduz a sua temperatura em 10°C, liberta 41.870 quilojoules de calor – equivalente a 39.685 BTU. A água quente pode ser usada diretamente ou pode fornecer aquecimento ambiente circulando através de manipuladores de ar ou tubos de aquecimento radiante.
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Aplicações de armazenamento de água quente
Quando os sistemas de aquecimento utilizam gás natural ou óleo combustível, o seu custo operacional não é afetado pelo tempo de uso – aquecer 100 galões de água tem o mesmo custo a qualquer hora. No entanto, o aquecimento por combustão produz emissões locais, e o aquecimento eléctrico com energia limpa está entre as alternativas propostas para reduzir a poluição dos edifícios.
O aquecimento eléctrico é sensível ao tempo de utilização, ao contrário do aquecimento por combustão, e a sua utilização pode tornar-se muito dispendiosa quando não gerida de forma adequada:
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Os consumidores de energia com tarifas baseadas no tempo de uso pagam um preço muito alto por quilowatt-hora durante os horários de pico de demanda.
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Os grandes consumidores com cobrança de demanda são cobrados pelos seus maiores picos de consumo, além da cobrança normal pela quantidade de energia utilizada.
O aquecimento por resistência elétrica existe há décadas, mas seu custo operacional é alto porque cada quilowatt de produção de aquecimento requer um quilowatt de eletricidade. Por outro lado, as bombas de calor eléctricas fornecem entre 2 e 6 quilowatts de calor por cada quilowatt de electricidade. O coeficiente de desempenho (COP) depende do tipo específico de bomba de calor, do seu design e das suas condições de funcionamento:
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As bombas de calor de fonte subterrânea são mais eficientes em termos energéticos do que as bombas de calor de fonte aérea.
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A eficiência da bomba de calor é gradualmente reduzida à medida que a temperatura exterior cai.
O aquecimento ambiente e a água quente sanitária têm um impacto ambiental mínimo quando utilizam bombas de calor alimentadas por eletricidade de baixo custo proveniente de turbinas eólicas e parques solares. A principal desvantagem desta configuração é a produção variável dos sistemas de energia solar e eólica, mas o armazenamento de água quente pode equilibrar o fornecimento de energia e a necessidade de aquecimento.
Dado que a electricidade é muito mais fácil de transportar do que a água, o local ideal para o armazenamento de água quente é próximo do ponto de utilização. Quando um tanque de água quente está longe do ponto de utilização, o bombeamento pode causar um aumento significativo nos custos operacionais. Considere também que tubulações mais longas acarretam maiores perdas de calor.
Armazenamento de calor em escala utilitária
O armazenamento distribuído de calor é um aprimoramento viável para sistemas de aquecimento ambiente e água quente sanitária. No entanto, o armazenamento de calor também foi testado em escala de utilidade pública, juntamente com a energia solar concentrada (CSP).
Ao contrário de um conjunto fotovoltaico, que utiliza módulos solares, uma instalação CSP concentra a luz solar com espelhos. O intenso aquecimento localizado é suficiente para acionar uma turbina a vapor e um gerador:
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O calor concentrado derrete um sal especial, normalmente nitrato de sódio ou nitrato de potássio.
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O sal derretido viaja para um trocador de calor, onde ferve a água em vapor para acionar turbinas.
Com esta configuração, o sal fundido é armazenado em recipientes refratários, onde retém calor por longos períodos. Dessa forma, o sistema pode continuar produzindo vapor para as turbinas mesmo quando não há luz solar. Embora os conjuntos fotovoltaicos ofereçam um custo de eletricidade mais baixo do que os sistemas CSP com sal fundido, eles não podem fornecer energia elétrica sob demanda.
Ao contrário dos conjuntos fotovoltaicos, as estações CSP requerem uma grande escala para serem economicamente viáveis. Para o proprietário de um edifício que pretende maximizar a utilização de energia renovável, um sistema solar fotovoltaico com armazenamento de energia oferece flexibilidade para uma escala reduzida. Estações CSP para autogeração são possíveis para utilizadores que atinjam a escala de megawatts – grandes parques industriais seriam candidatos viáveis.
Este conceito ainda é relativamente novo e só foi implantado em algumas usinas de energia ao redor do mundo. A primeira aplicação comercial de CSP com armazenamento de calor nos EUA foi a planta Crescent Dunes de 110 MW em Nevada.
Conclusão
O armazenamento de calor permite um maior uso de energia limpa em aplicações de aquecimento ambiente e água quente sanitária, que tradicionalmente dependem da combustão. O armazenamento de água quente pode alcançar sinergia com bombas de calor, que fornecem entre 2 e 6 kWh de calor por cada kWh de eletricidade consumida. Embora o armazenamento de calor também possa ser usado com aquecedores de resistência convencionais, o sistema torna-se ineficiente e caro para operar.
O sal fundido tem sido utilizado com sucesso como meio de armazenamento de calor na geração em larga escala, uma vez que pode produzir vapor mesmo quando uma fonte de calor não está disponível. O sal fundido tem sido usado para fornecer geração noturna em usinas de energia solar concentrada e também pode capturar calor do armazenamento de energia de ar comprimido – outra tecnologia emergente.
