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Armazenamento de energia térmica é uma tecnologia que se baseia na transferência de calor para um meio de armazenamento, de modo que ele possa ser utilizado mais tarde em aplicações de aquecimento e resfriamento ou geração de energia elétrica. Esta tecnologia contribui para o balanceamento da oferta com a demanda de energia elétrica ao longo de um dia, uma semana ou mesmo sazonalmente, reduz a demanda de pico de energia elétrica, reduz a emissão de CO2, diminui os custos de investimento do sistema, que não precisa ser dimensionado pela demanda de pico, aumenta a eficiência dos sistemas energéticos, e contribui para aumentar a participação das energias renováveis na matriz energética pela suavização dos efeitos da intermitência.
Sistemas de armazenamento de energia são tecnologias usadas para armazenar energia elétrica. Esses sistemas são necessários em comunidades situadas em regiões distantes, sem acesso à rede elétrica, em equipamentos eletrônicos que devem funcionar sem estarem conectados à uma tomada e no caso de discrepância entre oferta e demanda de energia na rede.
A energia térmica ou interna é definida como a soma da energia cinética e potencial associada aos elementos microscópicos que constituem a matéria. Os átomos e moléculas que formam os corpos apresentam movimentos aleatórios de translação, rotação e vibração. Esse movimento é chamado de agitação térmica. A variação de energia térmica de um sistema ocorre através de trabalho ou de calor.
Teoricamente, a energia térmica está ligada com o grau de movimentação de partículas subatômicas. Quanto maior for a temperatura de um corpo, maior é a sua energia interna. Quando um corpo com maior temperatura entra em contato com outro corpo com menor temperatura, ocorre transferência de calor.
Existem três tipos de sistemas de armazenamento: por calor sensível, por mudança de fase e por reações químicas. Os sistemas de armazenamento de energia térmica podem ser centralizados ou distribuídos. Os centralizados são usados para aquecer ou resfriar áreas urbanas grandes, plantas industriais grandes, plantas de ciclo combinado de calor e potência e plantas de geração com energias renováveis. Os distribuídos são usados em edifícios residenciais ou comerciais.
Os sistemas de armazenamento por calor sensível têm custo inferior aos outros dois tipos, porém, requerem grandes volumes de troca térmica devido a sua baixa densidade de energia (três a cinco vezes menor). Além disso, eles requerem o projeto de um sistema de controle adequado para que o fornecimento de energia térmica seja feito a temperatura constante.
Os sistemas de armazenamento por mudança de fase e reações químicas têm, em geral, um custo mais elevado do que os sistemas de armazenamento por calor sensível, sendo economicamente viáveis apenas em aplicações que exijam um grande número de ciclos de operação. Para melhorar o desempenho, estes dois sistemas precisam aumentar sua estabilidade ao longo do tempo, o que depende dos materiais empregados.
Estima-se, na Europa, que 1,4 x 106 GWh/ano possa ser economizada, evitando a emissão para a atmosfera de 400 x 106 t de CO2, nos setores industrial e de edifícios, pelo uso mais extensivo de armazenamento térmico. No entanto, o alto custo para sua efetiva implantação é uma barreira para penetração no mercado.
A energia térmica tem sido armazenada como calor sensível na faixa entre – 40°C e 600 °C. O uso de materiais com maior calor específico resulta em menor massa armazenada no reservatório, geralmente muito bem isolado, para a mesma quantidade de energia armazenada. O armazenamento de água em reservatórios tem sido a opção de menor custo e constitui uma opção economicamente viável até uma temperatura de 90 °C. O armazenamento também pode ser feito no subsolo (aquíferos ou reservatórios artificiais), dependendo das condições geológicas locais.
Para temperaturas acima de 100 °C, a maioria das tecnologias de armazenamento por calor sensível estão baseadas no uso de óleo térmico ou sais fundidos. Na maioria das plantas de geração termossolar utiliza-se como fluido de transferência de calor e de armazenamento de energia um óleo sintético, com máxima temperatura de operação de 400 °C ou uma mistura eutética de 60% de nitrato de sódio e 40% de nitrato de potássio com uma temperatura máxima de operação de 600 °C. O aumento da temperatura de trabalho aumenta a eficiência global da planta de geração.
Os sistemas de armazenamento térmico têm sido utilizados em praticamente todas as plantas de geração termossolar. A principal vantagem destes sistemas é tornarem as usinas despacháveis pelo operador do sistema, pois podem fornecer energia elétrica a qualquer hora do dia, independentemente do nível ou até na ausência da radiação solar direta.
O armazenamento de energia por calor sensível mencionado no item anterior tem custo relativamente baixo, mas sua desvantagem é a baixa densidade de energia (tipicamente 25 kWh/m3). Com o armazenamento por mudança de fase pode-se conseguir densidades de energia da ordem de 100 kWh/m3 (gelo). O armazenamento pode ser diário ou sazonal, utilizando diversos materiais.
O armazenamento de energia através de reações termoquímicas possibilitam a obtenção das maiores densidades de energia dentre os sistemas térmicos.
Todos os anos, fontes de energias renováveis, como parques eólicos e instalações solares, produzem milhares de gigawatts-hora de energia que não podem ser usados diretamente e permanecem sem uso. Outras vezes, a falta de capacidade é compensada por energia de fontes fósseis. Sistemas de armazenamento térmico em grande escala podem resolver este problema e, adicionalmente, aumentar a estabilidade da rede.
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