Através de uma vasta gama de tecnologias de armazenamento de energia, a sua história e perspetivas futuras, a IDTechEx examina o desempenho do setor de armazenamento de energia no último ano e para onde se está a encaminhar no próximo.
Os iões de lítio e a procura por materiais
A procura de baterias de iões de lítio deverá crescer rapidamente nos próximos 10 anos, impulsionada principalmente pela electrificação dos transportes. Isto implicará um aumento da procura de veículos elétricos a bateria (BEVs), mas também de uma vasta gama de outros tipos e segmentos de veículos, e são estes segmentos não automóveis que muitos fabricantes de baterias irão visar. O relatório da IDTechEx, "Baterias de Ião-Lítio para Veículos Elétricos 2021-2031", aborda as tendências da tecnologia de baterias para veículos elétricos e examina os fabricantes de baterias que visam autocarros, veículos comerciais e muitos outros segmentos não automóveis. No entanto, embora o iões de lítio continue a ser a tecnologia dominante nos veículos eléctricos, as preocupações com possíveis estrangulamentos no fornecimento de determinados materiais críticos, como o lítio, o níquel ou a grafite, podem, em última análise, limitar o ritmo de adopção de veículos eléctricos. O relatório da IDTechEx, "Materiais para Células e Encapsulamentos de Baterias de Veículos Elétricos 2021-2031", prevê um crescimento da procura de materiais para baterias de iões de lítio, incluindo os utilizados nas células e embalagens. A IDTechEx também abrange o mercado de iões de lítio em geral, fornecendo uma análise detalhada da tecnologia e dos principais participantes. Para além dos desafios que o rápido crescimento da procura de materiais pode representar, existem também preocupações com o impacto ambiental e a sustentabilidade da produção de iões de lítio.
Reciclagem de iões de lítio
A reciclagem oferece uma solução parcial para os desafios de sustentabilidade e da cadeia de abastecimento enfrentados pela indústria de iões de lítio, proporcionando um certo grau de circularidade: os materiais de resíduos e as baterias em fim de vida podem ser extraídos e refinados para reutilização no fabrico de células e baterias. Isto pode ter diversos efeitos benéficos. Pode diversificar o fornecimento de materiais, ajudando a reduzir a dependência de um único país ou região. Do ponto de vista ambiental, espera-se que a reciclagem de iões de lítio, particularmente através de rotas hidrometalúrgicas ou de reciclagem direta, reduza as necessidades energéticas totais para a produção de células em comparação com a utilização de materiais virgens. Outras emissões, como SOx, NOx e material particulado, para além do CO2, também devem ser menores quando se utiliza material reciclado em vez de extração primária. As capacidades locais de reciclagem e refinação, como as que começam a ser estabelecidas na Europa e nos EUA, podem também reduzir a distância percorrida pelos materiais, diminuindo ainda mais o perfil de emissões das baterias de iões de lítio. No entanto, mesmo que fosse criada capacidade de reciclagem suficiente para processar todo o volume de resíduos de baterias de iões de lítio até 2030, o material reciclado apenas contribuiria com uma fracção da procura de materiais.
Para ajudar a aliviar possíveis restrições na cadeia de abastecimento, estão a ser desenvolvidas diversas tecnologias alternativas de baterias e armazenamento de energia para substituir as baterias de iões de lítio em aplicações onde a densidade de energia não é tão crítica. Estas tecnologias podem ser aplicadas em pequenos carros elétricos urbanos, autocarros elétricos, veículos elétricos híbridos, camiões com células de combustível e veículos autónomos guiados — todos incluídos no portefólio de investigação de veículos elétricos da IDTechEx. No entanto, a variedade de tecnologias de armazenamento de energia disponíveis e em desenvolvimento é mais evidente no sector do armazenamento estacionário de energia. Isto acontece porque a densidade de energia se torna menos crítica neste tipo de armazenamento, permitindo a utilização de uma panóplia de tecnologias.
baterias de estado sólido
Com as IPO da Solid Power e da QuantumScape, as baterias de estado sólido estão a atrair muita atenção, principalmente para aplicações em veículos elétricos (VE). Os VE são o principal motor para o desenvolvimento de baterias de estado sólido, e muitos fabricantes de automóveis anunciaram novidades para o próximo ano. Foram feitas melhorias em todos os segmentos da tecnologia de baterias de estado sólido: polímero, óxido e sulfureto. Entre estas melhorias, o ânodo de lítio metálico destaca-se como essencial para alcançar uma maior densidade de energia, o que melhora o desempenho das baterias de estado sólido e as torna mais competitivas. A transição do desenvolvimento de materiais e células para a produção piloto e em massa é também uma tendência importante. É bastante comum os fabricantes de baterias de estado sólido estabelecerem parcerias com fabricantes de automóveis para o desenvolvimento. Detalhes sobre as tecnologias, os participantes do mercado e os mercados podem ser encontrados na investigação sobre baterias de estado sólido e de polímero.
Baterias finas, flexíveis e impressas
As baterias finas, flexíveis e impressas são um tema de discussão há algum tempo, e muitas já encontraram aplicações em nichos de mercado. Embora muitas destas baterias utilizem tecnologia consolidada, a identificação de aplicações adequadas com elevada procura é fundamental para o seu crescimento. Com várias empresas já a trabalhar nesta área, a concorrência está cada vez mais feroz. A empresa que identificar as aplicações mais relevantes — aquelas que exigem as características únicas das baterias finas, flexíveis e impressas — será a que terá sucesso e dominará este mercado. Para mais detalhes, consulte o relatório da IDTechEx sobre baterias finas, flexíveis e impressas.
Iões de sódio
As baterias de iões de sódio despertaram um interesse renovado após o anúncio do seu desenvolvimento pela CATL. Semelhantes em muitos aspetos às baterias de iões de lítio, as baterias de iões de sódio utilizam o sódio (Na) como elemento de trabalho em vez do lítio (Li), como o próprio nome indica. As baterias de iões de sódio apresentam, geralmente, potências e ciclos de vida ligeiramente superiores aos das células de iões de lítio NMC e LFP, mas com densidades de energia gravimétrica ligeiramente inferiores. Embora as baterias de iões de sódio, obviamente, reduzam a dependência do lítio, os seus cátodos podem ainda utilizar cobalto e níquel, pelo que a sua eficácia na redução da dependência destes materiais depende inteiramente da composição química específica dos cátodos utilizados.
baterias de fluxo redox
As baterias de fluxo redox diferem das baterias de intercalação, como as de iões de lítio e de iões de sódio, por armazenarem energia no eletrólito, separadamente da célula eletroquímica, permitindo o desacoplamento da potência. Este aspeto fundamental torna as baterias de fluxo redox (RFBs) ideais para aplicações de armazenamento estacionário de energia, especialmente as de longa duração. O vanádio é, de longe, a química mais difundida, com 15 a 20 empresas a comercializar sistemas de vanádio. No entanto, o elevado custo do vanádio resulta em elevados custos de capital que podem ser proibitivos para a utilização em larga escala, embora sistemas como o leasing de electrólitos estejam a ser explorados para tentar reduzir o investimento inicial. Ainda assim, o elevado custo do vanádio levou ao desenvolvimento de químicas alternativas para RFBs que utilizam materiais ativos de baixo custo, como a química de ferro puro que está a ser desenvolvida pela ESS Inc., ou mesmo baterias de fluxo que podem utilizar compostos orgânicos de baixo custo e amplamente disponíveis como material ativo do eletrólito.
Alternativas e hidrogénio
As tecnologias não eletroquímicas, como o armazenamento gravitacional ou o armazenamento criogénico em ar, também estão a ser exploradas, mas encontram-se numa fase inicial de desenvolvimento e podem não ser adequadas para um armazenamento a longo prazo com uma boa relação custo-benefício. O equilíbrio entre a oferta e a procura nas redes eléctricas que utilizam elevadas percentagens de energia renovável variável exigirá uma combinação de armazenamento de energia, capacidade excedente, interligação e outras soluções, como a tecnologia veículo-rede (V2G) e a resposta da procura. De facto, diversas tecnologias de armazenamento não eletroquímicas, desde os supercondensadores ao armazenamento de energia por ar comprimido, estão a ser estudadas para aplicações estacionárias.
O hidrogénio verde também está a ser discutido como uma potencial solução para o armazenamento de energia a longo prazo e continua a receber apoio governamental. Os eletrolisadores, sejam eles de membrana de troca de protões (PEM), alcalinos ou de óxido sólido, podem ser utilizados para produzir hidrogénio a partir da água e armazená-lo para uso posterior. A viabilidade do armazenamento de hidrogénio a longo prazo ainda está por comprovar. O armazenamento em cilindros de gás pode ser muito dispendioso, enquanto o armazenamento subterrâneo em aquíferos ou grutas de sal, por exemplo, apresenta limitações geográficas e permanece sem testes. Um método alternativo de armazenamento de H2 em estudo envolve a injeção de H2 em gasodutos de gás natural existentes, onde existe uma capacidade inerente de armazenamento de energia, embora existam limites para a quantidade de hidrogénio que pode entrar nas redes de gás atuais. Além disso, o hidrogénio eletrolítico será necessário para impulsionar várias indústrias, como a do amoníaco, a siderurgia e a produção química. Utilizar hidrogénio para o consumo de energia, quando existem soluções alternativas, pode não ser a escolha ideal. Em contrapartida, a IDTechEx prevê que a procura dos sectores industriais impulsione a procura de electrolisadores e hidrogénio verde.
