O armazenamento de energia offshore tornou-se um facilitador crítico para a expansão global de energia renovável marinha. À medida que os parques eólicos flutuantes e as matrizes de energia de ondas se movem para águas mais profundas, a natureza intermitente dessas fontes exige sistemas de armazenamento que possam operar de forma confiável em spray de sal, alta pressão e condições corrosivas. Sem armazenamento offshore eficaz, a redução da energia limpa durante períodos de baixa demanda ou alta geração aumenta drasticamente, prejudicando a economia das instalações offshore. Tecnologias emergentes estão agora enfrentando esses desafios, oferecendo soluções que vão desde pacotes de baterias enduradas pelo mar até acumuladores baseados em gravidade que aproveitam o oceano como meio de armazenamento. Este artigo examina as inovações mais recentes no armazenamento de energia offshore e seu potencial para transformar a confiabilidade e eficiência dos sistemas de energia renovável baseados em mar.

Avanços em Tecnologias de Bateria para Ambientes Offshore

O armazenamento de baterias é a tecnologia mais madura para aplicações offshore, mas sistemas padrão de base terrestre falham rapidamente em configurações marinhas.Os desenvolvimentos recentes focam em adaptações químicas, design de gabinetes e novos métodos de resfriamento que prolongam a vida útil e melhoram a segurança em condições offshore.

Sistemas de iões de lítio adaptados para uso marinho

O íon-lítio continua a ser a química dominante, com fabricantes que agora produzem células com revestimentos resistentes à corrosão, conectores selados e caixas compensadas por pressão que permitem a operação em profundidades de várias centenas de metros. Estes sistemas podem fornecer energia de pico para a inicialização de turbinas, capacidade de arranque preto e regulação de frequência. O projeto Batwind na Escócia, por exemplo, demonstrou uma bateria de lítio-íon de 1-MW integrada em uma turbina eólica flutuante, provando que pacotes racionados pelo mar podem lidar com movimento induzido por ondas e nevoeiro de sal. Os projetos mais recentes usam laços de refrigeração líquidos que circulam um fluido dielétrico, eliminando o risco de entrada de água do mar, mantendo o controle térmico apertado. O U.S. Department of Energy’s Offshore Wind Program observa que sistemas adaptados de lítio-ítio podem alcançar vidas de ciclo de 6.000 a 10.000 ciclos quando o estado de carga é mantido entre 20% e 80%, uma faixa que se adequa aos ciclos de trabalho offshore.

Baterias de estado sólido para uma maior segurança

As baterias de estado sólido substituem o eletrólito líquido por uma cerâmica sólida ou polímero, eliminando praticamente o risco de incêndio que diz respeito aos operadores offshore. Empresas como Blue Solutions e QuantumScape demonstraram protótipos que resistem a pressões equivalentes a 500 metros de profundidade de água. A maior densidade energética das farmácias de estado sólido – potencialmente 500 Wh/kg – poderia reduzir para metade a pegada de um recipiente de armazenamento em uma plataforma, libertando espaço para outros equipamentos. No entanto, a escala de fabricação permanece baixa, e o custo por quilowatt-hora ainda é duas a três vezes o do lítio marinho. Pesquisa financiada pela Agência Internacional de Energia Renovável (IRENA) sugere que as baterias de estado sólido offshore podem atingir a viabilidade comercial até 2030 se os gargalos de produção forem resolvidos.

Baterias de iões de sódio

A química do íon de sódio está ganhando atenção porque o sódio é abundante e barato, e as células podem ser fabricadas em fábricas de iões de lítio existentes com rebobinação menor. Embora os pacotes de iões de sódio tenham uma densidade energética menor - cerca de 150 Wh/kg - eles oferecem excelente capacidade de taxa e podem tolerar descarga profunda sem danos. Para plataformas offshore onde o peso é menos crítico do que o custo e longevidade, o ião de sódio pode se tornar uma opção convincente. Testes no Centro Europeu de Energia Marinha (EMEC) em Orkney mostraram módulos de iões de sódio operando por mais de 5.000 ciclos a 80% de profundidade de descarga. As células também funcionam bem em água fria do mar, perdendo apenas 10% de capacidade a 0°C em comparação com 30% para lítio padrão.

Inovação em Armazenamento de Hidrogênio

O hidrogénio verde produzido a partir de vento offshore é um meio de armazenamento versátil que pode ser mantido durante semanas ou meses, tornando-o ideal para o equilíbrio sazonal. Os principais obstáculos são a eficiência da electrólise em um ambiente de plataforma móvel e o armazenamento seguro e compacto de gás hidrogênio ou líquido.

Eletrólise offshore

Os eletrolisadores de membrana de troca de prótons (PEM) foram miniaturizados para uso offshore, com unidades operando agora em plataformas totalmente flutuantes. O projeto Hydrogen Offshore Production (HOP) no Mar do Norte demonstrou um eletrolisador de 10 MW montado em uma estrutura semi-submersível, produzindo hidrogênio a 30 bar com uma eficiência de 72%. A inovação chave é o uso de água do mar deionizada, pré-tratada a bordo, para evitar o transporte de água doce para o mar. Os eletrolisadores de óxido sólido, que operam em temperaturas mais elevadas (700-900°C), oferecem eficiências ainda maiores – até 85% – e podem produzir diretamente uma mistura de hidrogênio-espeça que é mais fácil de comprimir. No entanto, o ciclo térmico em condições de onda continua a ser um desafio de projeto. O Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL)[F:1] estima que a eletrolise offasing pode atingir um custo de 2 dólares/kg em 2030 se a implantação atingir a escala multi-GW.

Armazenamento de Hidrogénios Submarinos

Armazenar hidrogênio em tanques de alta pressão em uma plataforma é intensivo no espaço; uma melhor opção é comprimir o gás e armazená- lo em acumuladores submarinos. Vários conceitos usam a pressão hidrostática do oceano para auxiliar a compressão. Por exemplo, bexigas elásticas flexíveis ancoradas no leito do mar são preenchidas com hidrogênio a uma pressão ligeiramente acima da pressão da água ambiente, de modo que a água circundante faz o trabalho de compressão. Estas bexigas podem ser fabricadas em módulos de 500 m3, formando um grande campo de armazenamento no fundo do mar. Outra abordagem é injetar hidrogênio em reservatórios de gás offshore empobrecidos, que já estão selados e monitorados. O projeto da UE HyUnder mapeou vários campos como o Mar do Norte que poderiam armazenar milhares de toneladas de hidrogênio, proporcionando armazenamento sazonal para parques eólicos. A resistência à corrosão é alcançada por tanques de armazenamento de gás empobrecido com polímeros ou usando ligas de aço inoxidável desenvolvidos para aplicações submarinas.

E-Fuels como Armazenamento Secundário

O hidrogénio pode também ser combinado com dióxido de carbono capturado numa plataforma offshore para produzir metano sintético ou metanol, conhecido como e-combustíveis. Embora isto reduza a eficiência de ida e volta (normalmente 30–40%), o combustível pode ser armazenado em tanques comuns e utilizado em turbinas a gás existentes ou enviado para a costa. O projecto Carbon Recycling International, na Islândia, mostrou que a síntese de metanol offshore é viável com um reactor relativamente compacto. Para parques eólicos offshore longe da costa, os e-combustíveis podem ser a forma mais prática de armazenar energia durante meses e transportá-lo através de petroleiros sem construir gasodutos subaquáticos.

Armazenamento de Energia Hidroelétrica e Ar Compactado Bombado

Estas tecnologias de armazenamento em massa dependem da água ou do ar como fluido de trabalho, e adaptações offshore exploram o oceano profundo para substituir reservatórios onshore caros ou cavernas.

Armazenamento de Hidrodutos Bombas Submarinas

O conceito de bateria do oceano, desenvolvido pela empresa holandesa Ocean Grazer, utiliza uma grande bexiga flexível no fundo do mar. Durante a geração em excesso, a água é bombeada para fora da bexiga para o mar circundante, reduzindo a pressão interna. Quando é necessária energia, a pressão hidrostática externa força a água de volta para a bexiga através de uma turbina, gerando eletricidade. Um sistema piloto implantado na costa dos Países Baixos a uma profundidade de 200 metros demonstrou uma capacidade de armazenamento de 5 MWh e uma eficiência de ida e volta de 70-75%. Como a bexiga é feita de borracha reforçada durável, o sistema pode suportar décadas de carregamento cíclico. Escalar até 100-MWh unidades é considerado viável pelo aumento do tamanho e da profundidade da bexiga. A ] Empresa de armazenamento está a perseguir uma variante que utiliza uma caverna subaquática em vez de uma bexiga, alegando que as cavernas submarinas existentes de operações de petróleo e gás podem ser reaproveitadas, reduzindo 30% de custo.

Armazenamento de Energia de Ar Compactado (CAES) Offshore

Os sistemas CAES offshore aproveitam o oceano profundo para manter a pressão constante do ar. Num design típico, o ar é comprimido por compressores movidos electricamente e armazenado em recipientes de aço rígidos ou em câmaras insufláveis subaquáticas. A carga hidrostática da água do mar circundante proporciona contenção natural, de modo que os vasos não necessitam de reforço estrutural pesado. Quando é necessária eletricidade, o ar comprimido é liberado em um turboexpander para conduzir um gerador. Um dos conceitos mais avançados usa um pistão submarino: um grande cilindro de concreto com um pistão móvel; a pressão de água de um lado comprime o ar do outro lado, eliminando totalmente os compressores mecânicos. Esta abordagem isotérmica pode atingir eficiências acima de 80%. O sistema Storelectric do Reino Unido está desenvolvendo um sistema CAES offshore 50-MW com uma implantação planejada no Mar do Norte, usando navios sob pressão montados em leito marinho feitos de um material composto que resiste à corrosão. O baixo custo dos recipientes de armazenamento — estimado em 50/kWh—pode tornar offshore off competitivo com lítio-ion por durações superiores a 8 horas.

Tecnologias emergentes e Outlook Futuro

Além das soluções de bateria, hidrogênio e armazenamento mecânico estabelecidas, vários conceitos novos estão se movendo de escala de laboratório para testes protótipo em ambientes offshore.

Baterias de fluxo

As baterias de fluxo de vanádio redox (VRFBs) separam o armazenamento de energia da conversão de energia usando eletrólitos líquidos em tanques externos. Para aplicações offshore, os tanques podem ser colocados no fundo do mar ou em uma barcaça separada, reduzindo o peso na plataforma de turbina. Os VRFBs são inerentemente seguros porque o eletrólito não é inflamável e podem atingir 20 mil ciclos com degradação mínima. Os desenvolvimentos recentes incluem uma unidade compacta de 5 MW projetada pela empresa austríaca Enerox que se encaixa dentro de um recipiente de transporte padrão; uma versão marinha com revestimento resistente à água do mar está sendo testada no EMEC. Uma limitação é a densidade de energia relativamente baixa – cerca de 30 Wh/L – que requer grandes volumes de tanque. As baterias de fluxo de zinco-bromotos oferecem maior densidade (60 Wh/L) mas requerem monitoramento cuidadoso do gás bromo. Ambas as farmácias são candidatas a complementar parques eólicos que necessitam de ciclo diário com baixa manutenção.

Armazenamento com base na gravidade

O armazenamento de gravidade eleva uma massa pesada utilizando electricidade excedentária e permite- lhe cair mais tarde para regenerar a energia. No mar, a “queda” pode ser vertical para o oceano, usando a profundidade como altura de queda. A empresa Gravitricity propôs um desenho onde um peso de 500 toneladas é suspenso de uma plataforma flutuante e reduzido em uma série de guinchos. Quando liberado, o peso puxa os tambores de guincho, girando um gerador. A uma profundidade de 2.000 metros, a energia potencial armazenada pode atingir vários GWh por instalação. O impacto ambiental é baixo porque o peso é simplesmente um bloco de concreto. Uma variação usa balões flutuantes que são puxados por compressores e então permitido subir para virar turbinas – efetivamente um sistema de hidrohidrobombado subaquático com os papéis de água e ar invertido. Este conceito, às vezes chamado de “armazenamento de energia de flutuação”, foi pilotado a uma pequena escala (1 kWh) em uma fjord norueguesa e está agora a ser escalonado para protótipos de 100 kWh. O tempo de resposta lento (minutos) para armazenamento de longa rotação aumenta a velocidade.

Armazenamento de Energia Térmica

O armazenamento térmico offshore utiliza electricidade para aquecer um material (por exemplo, betão, sal fundido ou materiais de mudança de fase) dentro de contentores isolados na plataforma ou no fundo do mar. Quando é necessária energia, o calor impulsiona um motor térmico (ciclo de estiramento ou ciclo de Rankine) para produzir electricidade. A Universidade de Edimburgo projetou um bloco de betão modular contendo elementos de aquecimento incorporados e permutadores de calor; o bloco pode ser empilhado em matrizes no fundo do mar. Com um factor de capacidade de 95% para armazenamento até 12 horas, o sistema oferece um custo extremamente baixo (projetado 5 dólares/kWh de capacidade térmica), mas uma eficiência de 40-50% devido a perdas de calor. Para instalações offshore que também requerem calor de processo (por exemplo, pré-aquecimento de hidrogénio), o calor de resíduos pode ser integrado para melhorar a economia global. Sistemas híbridos que combinam o armazenamento térmico com um papel pré-aquecimento mais simples para a electrólise de hidrogénio estão a ser estudados pelo instituto de investigação norueguês SINTEF.

Sistemas de armazenamento híbrido e integração

A solução ideal de armazenamento offshore para um parque eólico específico provavelmente combinará duas ou mais tecnologias: baterias para resposta rápida (segundos a minutos), hidrogénio ou CAES para o equilíbrio diário (horas a dias) e combustível eletrónico ou armazenamento gravitacional para armazenamento sazonal. O projecto de colaboração UE-Japão Offshore Hybrid Energy Storage (OHES) está a desenvolver um sistema de controlo que expele entre um pacote de iões de lítio, uma bateria de fluxo de vanádio e uma pequena unidade de armazenamento de hidrogénio numa única plataforma flutuante. As simulações iniciais mostram que a abordagem híbrida pode aumentar a utilização global do parque eólico em 15%, reduzindo simultaneamente a capacidade necessária de cada tecnologia de armazenamento individual. Tais projectos integrados serão essenciais para redes offshore que devem manter uma elevada fiabilidade, aceitando simultaneamente uma geração renovável altamente variável.

Conclusão

As tecnologias emergentes no armazenamento de energia offshore estão a amadurecer rapidamente, impulsionadas pelo crescimento exponencial das energias renováveis flutuantes e eólicas e marinhas. As baterias de íon de lítio e de estado sólido oferecem uma capacidade compacta e rápida de resposta para curtos períodos de tempo; o armazenamento de hidrogénio e os hidrobombas subaquáticas fornecem soluções de grande escala e de longa duração; e as baterias de fluxo, o armazenamento de gravidade e os sistemas térmicos preenchem a lacuna média com vantagens únicas. A chave para o sucesso será a engenharia contínua para reduzir os custos, melhorar a durabilidade marinha e integrar estas tecnologias em sistemas coesos que trabalham com infra-estruturas offshore existentes. À medida que os projectos de investigação e de piloto aceleram, o armazenamento offshore irá passar de um requisito de nicho para uma pedra angular da transição global de energia limpa, permitindo que vastos conjuntos de energias renováveis baseadas no mar forneçam energia firme e dimensionável para a costa.