Introdução ao armazenamento de hidrogênio por bombeamento hidrelétrico — Escolhendo entre armazenamento que dura horas e armazenamento que dura estações do ano

À medida que a energia solar e eólica crescem, mais a rede elétrica enfrenta desequilíbrios em diversas escalas de tempo distintas — não apenas nos "próximos segundos", mas também "esta noite", "o mau tempo desta semana" e "a demanda que abrange as estações do ano". As baterias de íon-lítio podem projetar potência (kW) e capacidade (kWh) de forma bastante independente, o que as torna robustas para ajustes em intervalos de minutos a algumas horas (para fundamentos de baterias, consulte o Guia Básico de Baterias de Energia). Mas tentar armazenar energia por dias ou estações inteiras apenas com baterias significa que a capacidade necessária aumenta rapidamente e o custo deixa de ser viável. O armazenamento hidrelétrico por bombeamento tem atendido a essa demanda em uma escala de tempo mais longa, e nos últimos anos o hidrogênio tem atraído atenção como a tecnologia que alcança um alcance ainda maior. Este artigo deixa os princípios básicos da física das turbinas hidráulicas para o Guia Introdutório de Energia Hidrelétrica e, em vez disso, compara o armazenamento de energia hidrelétrica por bombeamento e o armazenamento de hidrogênio como duas soluções para um único problema: "armazenar energia e transformá-la novamente em eletricidade posteriormente".

Resumo em 30 segundos

• O armazenamento de energia hidrelétrica por bombeamento, que consiste no transporte de água entre um reservatório superior e um inferior, é uma tecnologia consolidada de armazenamento de grande capacidade e longa duração. A eficiência de ida e volta varia entre 70% e 87%, com um valor médio em torno de 80%.

• As turbinas-bomba de velocidade variável podem ajustar continuamente a potência consumida durante o bombeamento e, ao reduzir rapidamente a carga de bombeamento quando a frequência cai, podem auxiliar a rede na mesma direção do aumento da produção dos geradores (consulte o Guia Introdutório de Energia Hidrelétrica para obter detalhes).

• O hidrogênio não armazena "eletricidade como eletricidade" — ele eletrolisa a água em hidrogênio, armazena-o e o converte novamente em eletricidade quando necessário por meio de uma célula de combustível ou turbina a gás. A eficiência de ciclo completo está atualmente na faixa de 30 a 50%, inferior à do armazenamento hidrelétrico por bombeamento.

• Em contrapartida, o hidrogênio permite projetar o meio de armazenamento (tanques ou armazenamento subterrâneo) e o equipamento de conversão de energia (eletrolisadores, células de combustível) separadamente, portanto, em princípio, não depende do terreno e é adequado para armazenamento de longo prazo, que abrange semanas ou estações.

• Pensar no armazenamento hidrelétrico por bombeamento como "armazenamento eficiente por horas ou dias" e no hidrogênio como "armazenamento de longo prazo menos eficiente, mas independente da localização" captura uma relação mais complementar do que competitiva.

1. Classificando o Problema do "Armazenamento de Longa Duração" por Escala de Tempo

A variabilidade das energias renováveis não pode ser descrita em uma única escala de tempo. Variações de alguns minutos devido à passagem de nuvens, um aumento gradual de várias horas na demanda noturna e queda na produção solar ao pôr do sol, uma escassez de vento de vários dias causada por um sistema de baixa pressão estacionário, diferenças sazonais nos padrões de luz solar e precipitação — as características do armazenamento necessário mudam com a escala de tempo em questão.

As baterias permitem projetar a potência (kW) e a capacidade (kWh) de forma relativamente livre através da quantidade de células, mas o custo aumenta quase proporcionalmente à medida que a capacidade é expandida. O armazenamento de energia hidrelétrica por bombeamento e o armazenamento de hidrogênio na forma de "energia potencial da água" ou "energia química das moléculas de hidrogênio", portanto, a curva de custo para expandir a capacidade de armazenamento tem uma estrutura diferente da das baterias. É por isso que ambas podem desempenhar um papel fundamental no armazenamento de longa duração.

2. Armazenamento Hidrelétrico por Bombeamento — Revisitando uma Tecnologia Consolidada de Grande Capacidade

Os princípios básicos do armazenamento hidrelétrico por bombeamento e a física da turbina foram abordados no Guia Introdutório à Energia Hidrelétrica. Aqui, o foco se restringe ao seu desempenho como tecnologia de armazenamento.

A quantidade de energia que pode ser armazenada pode ser estimada usando o volume de água V, a altura manométrica efetiva H e a eficiência geral \eta:

A capacidade equivalente a um kWh de bateria é determinada pelo volume de armazenamento efetivo dos reservatórios superior e inferior e pela altura manométrica, enquanto a potência de saída (kW) é determinada pela potência da bomba-turbina e do motor-gerador. A capacidade de projetar esses dois componentes independentemente é algo que as usinas hidrelétricas de bombeamento compartilham com as baterias, mas, para as usinas de bombeamento, as restrições de terreno e direitos de água são uma condição prévia para o dimensionamento da capacidade.

A eficiência de ida e volta — a parcela de energia que retorna após um ciclo completo de bombeamento (carregamento) e geração (descarga) — é o produto da eficiência da bomba, da eficiência da turbina, da eficiência do motor-gerador e das perdas na tubulação, e os valores medidos situam-se aproximadamente na faixa de 70 a 87%, com um valor central em torno de 80%. Este é um dado consolidado, respaldado por décadas de experiência operacional, em um nível comparável ou ligeiramente inferior à eficiência de ciclo completo das baterias de íon-lítio.

As turbinas-bomba de velocidade fixa consomem energia praticamente constante durante o bombeamento, o que as torna ineficientes para aproveitar o excedente de energia renovável que chega em quantidades intermediárias e irregulares. O armazenamento por bombeamento de velocidade variável utiliza eletrônica de potência para variar continuamente a velocidade de rotação, permitindo um ajuste preciso da carga de bombeamento — e, quando a frequência cai, pode reduzir rapidamente o volume de bombeamento, auxiliando a rede na mesma direção em que aumenta a produção de energia. No Japão, a Usina Hidrelétrica de Kannagawa (TEPCO), na província de Gunma, é conhecida como uma das maiores usinas de armazenamento por bombeamento do mundo, projetada com uma queda d'água efetiva de 653 m e, em teoria, seis unidades motor-geradoras com potência nominal de 470.000 kW cada — para uma potência máxima de 2,82 milhões de kW com todas as unidades em operação. Atualmente, as unidades 1 e 2 estão em operação, proporcionando uma potência máxima de 940.000 kW. Para obter detalhes técnicos sobre usinas hidrelétricas de bombeamento, incluindo operação em velocidade variável e ampliação da capacidade, consulte a seção relevante do Guia Introdutório de Energia Hidrelétrica.

Figura 1 — A hidroeletricidade por bombeamento transporta água entre reservatórios superior e inferior, alternando entre bombeamento e geração com uma bomba-turbina reversível. A eficiência de ida e volta varia aproximadamente entre 70% e 87%, com um centro em torno de 80%.

3. Armazenamento de Longa Duração via Hidrogênio — Armazenando Eletricidade como Moléculas

A ideia básica por trás do armazenamento de hidrogênio é usar o excedente de energia para eletrolisar a água em hidrogênio, armazená-lo em forma comprimida, liquefeita ou subterrânea e convertê-lo novamente em eletricidade quando necessário por meio de células de combustível ou turbinas a gás movidas a hidrogênio/co-combustão. Todo esse processo é chamado de Power-to-Gas-to-Power (P2G2P). O hidrogênio produzido a partir de energia proveniente de fontes renováveis, como a solar ou a eólica, é chamado de "hidrogênio verde", e sua principal característica é a baixa emissão de CO₂ durante a produção.

Os tipos de eletrolisadores incluem a eletrólise alcalina da água, a eletrólise da água com membrana de eletrólito polimérico (PEM) e as células de eletrólise de óxido sólido (SOEC), que operam em temperaturas mais elevadas. A eletrólise alcalina da água apresenta vantagens em termos de escalabilidade e histórico, enquanto a PEM oferece uma capacidade de resposta superior, tornando-a uma boa opção para energia renovável variável. O hidrogênio produzido é, por vezes, convertido em outra forma química — gás de alta pressão, hidrogênio líquido ou amônia — para armazenamento e transporte.

No que diz respeito à reconversão, além da geração de energia com células a combustível de eletrólito polimérico (PEFC) ou células a combustível de óxido sólido (SOFC), a geração de energia utilizando turbinas a gás movidas a hidrogênio também está sendo considerada para aplicações em larga escala. A eficiência de ida e volta, combinando eletrólise e reconversão, permanece em torno de 48% para uma configuração simples (aproximadamente 80% de eficiência de eletrólise × aproximadamente 100% de eficiência de ida e volta). A eficiência das células a combustível é de 60%, e os valores relatados na literatura para sistemas completos variam de aproximadamente 28% a 52%. Algumas pesquisas apontam para valores na casa dos 60% para eletrolisadores mais avançados combinados com sistemas de óxido sólido, e até mesmo acima de 80% para futuros sistemas de alta eficiência, mas, no momento, a configuração convencional tem uma eficiência de ciclo completo menor do que a de hidrelétricas de bombeamento.

Um dos principais locais de demonstração no Japão é o Campo de Pesquisa de Energia de Hidrogênio de Fukushima (FH2R), inaugurado em março de 2020 em Namie, província de Fukushima. Ele combina uma usina de energia solar de 20 MW com o que é considerado uma das maiores unidades de eletrólise alcalina de água do mundo na classe de 10 MW (potência nominal de 6 MW, consumo máximo de energia de 10 MW), capaz de produzir 1.200 Nm³ de hidrogênio por hora em operação nominal. Isso seria suficiente para abastecer aproximadamente 560 veículos com células a combustível (FCVs), e a instalação é Posicionado como um local de demonstração para validar toda a cadeia tecnológica que converte o excedente de energia renovável em hidrogênio, armazenando-o e utilizando-o.

Figura 2 — O hidrogênio armazena eletricidade convertendo-a em uma forma molecular. Como há perdas tanto na eletrólise quanto na reconversão, a eficiência de ida e volta é menor do que a do armazenamento hidrelétrico por bombeamento, mas separar o meio de armazenamento do equipamento de geração é adequado para armazenamento em larga escala e de longo prazo.

4. Comparando as duas tecnologias lado a lado

| Item | Armazenamento hidrelétrico por bombeamento | Armazenamento de hidrogênio (P2G2P) | |---|---| | Eficiência aproximada de ida e volta | ~70–87% (central ~80%) | ~30–50% (varia com a configuração) | | Melhor escala de tempo | Horas a alguns dias | Dias a estações (armazenamento de longo prazo e em grande escala) | | Restrições de localização | Requer diferença de elevação e terreno para reservatórios superiores/inferiores | Eletrolisadores e tanques de armazenamento podem ser instalados com relativa liberdade | | Velocidade de resposta | Segundos a minutos (mais rápida com unidades de velocidade variável) | Depende das características de inicialização do eletrolisador/célula de combustível | | Maturidade da tecnologia | Madura (décadas de experiência em operação comercial) | Estágio de demonstração e ampliação de escala | | Usos secundários | Operação de condensador síncrono, partida a frio | Versatilidade como hidrogênio industrial e combustível para transporte |

Considerando apenas a eficiência, o armazenamento hidrelétrico por bombeamento leva vantagem, mas essa é uma vantagem condicional — "se houver terreno adequado". O hidrogênio sacrifica a eficiência em troca da capacidade de ser implantado em terrenos planos ou em áreas com infraestrutura existente, e da versatilidade que permite que ele compartilhe valor com usos além da eletricidade (matéria-prima industrial, veículos com células de combustível, uso futuro como combustível). Em vez de uma substituir a outra, é mais prático vê-las como desempenhando funções diferentes dependendo do terreno, da demanda e da infraestrutura existente.

5. Como isso se apresenta na perspectiva da rede elétrica

Do ponto de vista da operação da rede, nem a energia hidrelétrica de bombeamento nem o armazenamento de hidrogênio são "usinas de energia" — ambos são "dispositivos que deslocam o tempo". Respostas em escala de segundos a minutos, como a regulação de frequência, são melhor gerenciadas por baterias ou por hidrelétricas de bombeamento de velocidade variável, devido à sua velocidade de resposta superior. O deslocamento de energia em escala de horas a dias é melhor gerenciado pela energia hidrelétrica de bombeamento, que tem vantagem em eficiência de ciclo completo. E para a variabilidade de longa duração que a capacidade de armazenamento de baterias ou de hidrelétricas de bombeamento sozinhas não conseguem suprir — vários dias de mau tempo prolongado ou uma lacuna sazonal entre oferta e demanda — o armazenamento molecular, como o hidrogênio, torna-se uma opção viável.

Em modelos de mercado como o mercado de balanceamento de energia, diferentes categorias de produtos de regulação de energia são configuradas para cada tempo de resposta desejado, e a compatibilidade entre a escala de tempo ideal de uma tecnologia de armazenamento e o modelo de produto do mercado é fundamental para maximizar o potencial de cada tecnologia. Os detalhes desse sistema de mercado são abordados no Manual Introdutório de Usina Virtual (VPP) e no Manual Introdutório de Inércia da Rede e Regulação de Frequência.

Resumo: Analisando a relação entre eficiência e localização

A energia hidrelétrica de bombeamento, com sua tecnologia consolidada e alta eficiência de ciclo completo, tem realizado o deslocamento de energia em escalas de tempo que variam de horas a alguns dias. O hidrogênio sacrifica a eficiência, mas a flexibilidade de desacoplar o meio de armazenamento do equipamento de geração permite alcançar armazenamento em larga escala e a longo prazo, algo que a energia hidrelétrica de bombeamento não consegue, além de expandir suas aplicações para além da geração de eletricidade.

Ao avaliar um projeto de armazenamento em larga escala, vale a pena verificar o seguinte:

1. Qual é a escala de tempo prevista — horas, dias ou estações?

2. Como a eficiência de ciclo completo se compara à do armazenamento hidrelétrico por bombeamento?

3. O quanto o projeto depende das condições de localização (terreno, área, infraestrutura existente)?

4. Ele pode agregar valor a outros usos além da geração de eletricidade (uso industrial, uso como combustível)?

Considerando esses quatro pontos, você poderá interpretar o armazenamento hidrelétrico por bombeamento e o armazenamento de hidrogênio não como uma rivalidade entre "velho e novo", mas como tecnologias complementares adequadas a diferentes escalas de tempo.

Referências

• EUA Administração de Informação Energética — Baterias em escala de utilidade pública e armazenamento por bombeamento retornam cerca de 80% da eletricidade que armazenam
• NREL — Hidrelétricas de armazenamento por bombeamento, Linha de base tecnológica anual
• TEPCO Renewable Power — Usinas hidrelétricas representativas (Usina de Kannagawa)
• Toshiba Energy Systems & Solutions — Campo de Pesquisa de Energia de Hidrogênio de Fukushima (FH2R)
• NEDO — Materiais sobre o Campo de Pesquisa de Energia de Hidrogênio de Fukushima
• Agência de Recursos Naturais e Energia — Política de Hidrogênio
• IEA — Hidrogênio
• Associação Internacional de Hidroenergia — Armazenamento por bombeamento