Um parque eólico perto da cidade de Heyuan em Guangdong, China. Crédito: Haitong Yu/Getty
No ranking global de energia, um país se destaca. A China é o mais faminto consumidor mundial de energia – exigindo o equivalente energético de quase 3,3 bilhões de toneladas de petróleo no ano passado. Desde 2011, tem queimado mais carvão do que todos os outros países juntos. E a sua dependência deste combustível fóssil soma-se: A China emite cerca de um quarto dos gases de estufa do mundo, a maior parte de qualquer país.
Mas estes números são apenas uma parte da história: A China é também o mais prolífico produtor mundial de energia eólica, com capacidade para produzir mais do dobro do segundo maior gerador do mundo, os Estados Unidos. E tem cerca de um terço da capacidade mundial de geração de energia solar, construindo mais sistemas no ano passado do que qualquer outro país.
Crescimento rápido da sua população e economia ao longo de décadas, combinado com uma enorme indústria transformadora e a migração em massa para cidades iluminadas por ruas e aquecidas centralmente, transformaram a China numa nação faminta de energia. Reconhecendo essa fome e os danos que uma dependência a longo prazo dos combustíveis fósseis teria, o governo chinês fez planos para atender às necessidades energéticas do país. E a ciência e a tecnologia – em campos como tecnologias de baterias, fotovoltaicos e gestão de energia – estão no centro desses planos.
Uma redução na demanda líquida de energia não faz parte da política, mesmo com a mudança do mix energético da China. De acordo com a empresa de energia BP, em 2018 a China representava 24% do consumo global de energia. A empresa estima que, até 2040, a China ainda estará no topo da lista e responderá por 22% do consumo global.
O país fez investimentos maciços em energias renováveis, depositando 0,9% do seu produto interno bruto (PIB) no setor em 2015 – o terceiro maior montante mundial, depois do Chile e da África do Sul, que investiram 1,4% do PIB cada um. Ainda assim, apenas 23% da energia que a China consome é de fontes “limpas” (incluindo gás natural), enquanto quase 58% foi de carvão em 2019 – a mais poluente das opções que ainda são utilizadas em larga escala em todo o mundo. (Grande parte da energia restante da China vem do petróleo e da energia nuclear.)
Ação sobre a poluição
A queima de carvão e outras fontes não renováveis para saciar a fome de energia do país se tornou um problema visível, com grandes cidades como Pequim muitas vezes inundadas por um denso smog. A poluição do ar tornou-se tão ruim em algumas partes da China em 2013 que a mídia a chamou de airpocalypse, com os cidadãos suportando níveis de partículas até 30 vezes maiores do que os considerados seguros pela Organização Mundial da Saúde. E, apesar dos esforços para combater a questão, 48 cidades chinesas ainda estão entre as 100 mais poluídas do mundo.
Um empregado trabalha numa turbina eólica numa fábrica de construção em Nanjing, China. Crédito: Ji Haixin/VCG via Getty
Estes níveis de poluição forçaram novas ações. Em dezembro de 2016, o governo chinês introduziu um plano de desenvolvimento de energias renováveis como um suplemento ao seu abrangente 13º plano quinquenal de desenvolvimento social e econômico, abrangendo o período 2016-20, que havia sido lançado no início daquele ano. Ele incluiu o compromisso de aumentar a proporção do seu consumo de energia renovável e não-fóssil para 20% até 2030. Esse compromisso, prometido pelo primeiro-ministro Li Keqiang, causaria fortes golpes contra os problemas conjuntos de poluição do ar e da água decorrentes da dependência do país do carvão.
“O desenvolvimento de energia solar e eólica barata para substituir a energia fóssil tornou-se a estratégia energética central da China para reduzir a poluição do ar”, diz Hong Li, um pesquisador que trabalha com baterias de lítio de estado sólido no Key Laboratory for Renewable Energy em Pequim, parte do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências. Hong Li, que está envolvido no desenvolvimento de planos nacionais para novas tecnologias energéticas, também aponta que os níveis de eletricidade gerada por fontes renováveis – que variam com a quantidade de sol ou vento – podem ser menos consistentes do que os das usinas movidas a energia fóssil.
“É mais difícil fundir energia solar e eólica com a rede elétrica” do que incluir energia baseada em carvão, diz Hong Li. A energia renovável é “menos confiável e isso pode tornar a rede instável sem sistemas de controle avançados”.
Por exemplo, em 2017, mais de 30% da energia renovável produzida nas províncias ensolaradas e ventosas de Xinjiang e Gansu no noroeste da China nunca foi utilizada. Isto porque não podia ser entregue onde era necessária: as megacidades altamente povoadas da China oriental, como Xangai e Pequim, a milhares de quilómetros de distância (ver ‘Menos desperdício de energia’).
Fontes: US Dept of Energy/China National Energy Administration
É um dilema que levou o governo chinês a investir bilhões de dólares em linhas de alta tensão, para transmitir energia gerada em regiões ensolaradas e ventosas em toda a vastidão da China. Isto inclui uma linha de 22,6 bilhões de yuans (3,2 bilhões de dólares), 1.600 quilômetros de Qinghai, na China ocidental, que foi concluída em maio. Ela passa por Gansu, até a província de Henan, no centro do país.
Outra forma de garantir que a energia renovável esteja disponível quando necessário é aumentar a capacidade de armazenamento da mesma. Isto pode ser conseguido utilizando tecnologias como baterias, hidroeletricidade de armazenamento por bombagem e armazenamento térmico, diz Yuki Yu, fundadora da consultoria de energia limpa Energy Iceberg em Hong Kong.
“As baterias podem armazenar o excesso de energia, e depois libertá-la mais tarde. Funcionários e cientistas na China começaram a perceber as implicações disso para a estabilização de nossas redes de energia”, diz Xianfeng Li, que lidera a divisão de armazenamento de energia no Dalian Institute of Chemical Physics (DICP).
Em 2017, a China divulgou seu primeiro documento de política nacional sobre armazenamento de energia, que enfatizava a necessidade de desenvolver baterias mais baratas e seguras, capazes de armazenar mais energia, para aumentar ainda mais a capacidade do país de armazenar a energia que produz (ver ‘China’s battery boost’). As tecnologias incluem baterias de iões de lítio – o tipo utilizado em veículos eléctricos – e sistemas de baterias estacionárias de grande escala integradas com fontes de energia eólica e solar.
Fonte: China Energy Storage Alliance
Nos seus planos, os decisores políticos deixaram claro que os cientistas e engenheiros do país precisam de desenvolver tecnologias de armazenamento de energia mais eficazes para atingir estes objectivos (ver ‘Crescimento na investigação verde’).
Fonte: Base de dados InCites, Web of Science
Armazenamento de energia em ação
A cidade de Dalian na província de Liaoning, nordeste da China, tem uma população de cerca de sete milhões de pessoas, e é um local de teste para o trabalho de Xianfeng Li. A temperatura no Inverno pode cair para -20 °C, colocando a rede de electricidade da cidade sob pressão para fornecer impulsos repentinos e intensos quando os residentes aumentam o aquecimento, diz ele.
Para ajudar a resolver esta necessidade, a Rongke Power, uma empresa que foi separada do DICP, planeia abrir um armazém de energia de 400 megawatts-hora (MWh) em Dalian este ano. É a primeira etapa de um projecto para fornecer uma instalação de 800-MWh até 2023, e irá utilizar baterias de fluxo de vanádio – enormes aparelhos recarregáveis que armazenam electrólitos líquidos em tanques massivos. A capacidade final deverá atender cerca de 0,5% da demanda total de energia de Liaoning, onde Dalian é a segunda maior cidade.
Xianfeng Li diz que o projeto será capaz de contribuir com um fornecimento ininterrupto de energia para a cidade, enquanto armazena e regula o fornecimento de energia para a rede para toda a província, que recebe 16,2% de sua energia de fontes renováveis. As províncias variam muito em quanto de sua energia provém de fontes renováveis: por exemplo, é de 2,7% para a província sul chinesa de Jiangsu, mas 30,1% para a ensolarada e escassamente povoada Mongólia Interior. Entre os vizinhos de Liaoning, Jilin recebe 8% de sua energia de combustíveis não fósseis, e Hebei 9,1%.
As baterias de fluxo de vanádio do tipo Xianfeng Li está testando em Dalian têm algumas vantagens sobre as baterias padrão de íons de lítio para aplicações em larga escala, como energia de rede: como o eletrólito de vanádio é armazenado em um tanque, ele pode ser escalado muito mais barato do que as baterias discretas de íons de lítio. As baterias de vanádio também são menos propensas a pegar fogo e têm cerca de dez vezes a vida útil das baterias de iões de lítio.
Xianfeng Li diz que, nos últimos anos, tem visto o financiamento para o seu trabalho com baterias de fluxo de vanádio aumentar acentuadamente, juntamente com o interesse das empresas em se associarem à sua equipa. Ele diz que o DICP está atualmente trabalhando com cerca de 30 empresas que foram afastadas do instituto.
“As empresas estão agora interessadas em desenvolver esta tecnologia, porque sabem que o governo está focado nela e por isso se sentem confiantes para investir”, diz ele.
Yu diz que os governos locais estão agora interessados em apoiar as empresas na construção de instalações de armazenamento de baterias. “Em um momento em que os formuladores de políticas estão procurando novas maneiras de estimular o crescimento em suas regiões, a indústria de fabricação de baterias parece muito promissora, portanto os governos estão motivados a incentivar esse tipo de investimento”.
Mudanças de direção
O plano de cinco anos para 2016-20 também enfatizou a necessidade de os pesquisadores continuarem desenvolvendo a tecnologia de baterias para que os carros elétricos possam ser conduzidos mais longe com uma única carga. O veículo elétrico mais vendido na China, o Tesla Modelo 3, tem um alcance de cerca de 400 km (a maioria dos veículos elétricos modernos tem alcance de 160-600 km).
“Desenvolver veículos elétricos é outra estratégia importante para reduzir a poluição, especialmente quando essa eletricidade vem de energia limpa. Portanto, precisamos desenvolver tecnologia de baterias para veículos elétricos”, diz Hong Li, que diz ter notado um aumento no financiamento de pesquisa para armazenamento de energia, veículos elétricos e outras tecnologias na China em 2012. No entanto, ele aponta que o país ainda está se aproximando da ciência básica do armazenamento de energia em comparação com os principais laboratórios dos Estados Unidos e da Europa, que se destacam na compreensão da química fundamental e da ciência dos materiais. Apesar disso, diz ele, a China é mais ativa na aplicação desse conhecimento para criar inovação em sistemas avançados de baterias. E a escala do ambiente de pesquisa do país, das universidades às equipes da indústria, tem ajudado os cientistas na China a alcançar um entendimento abrangente de como desenvolver materiais e dispositivos para o mundo real.
Planeamento futuro
China tem alguns dos preços de electricidade mais baratos do mundo desenvolvido (ver ‘Queda dos preços da electricidade’). Os custos são estabelecidos pelos governos locais e aprovados pelo departamento de energia da Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma, que supervisiona a política macroeconômica. Os preços são mantidos baixos para estimular o crescimento econômico.
Fontes: Polaris Power Network/shoudian.bjx.com.cn (go.nature.com/3tqcemg)
Mas apesar deste impulso, o país começou a eliminar gradualmente alguns subsídios para combustíveis limpos: por exemplo, irá parar aqueles para vento em terra depois deste ano. Os líderes chineses esperam que as fontes de energia renováveis se tornem economicamente competitivas com os combustíveis fósseis num futuro próximo. A resposta está no desenvolvimento de uma infra-estrutura de armazenamento de energia mais forte.
Hong Li é um conselheiro do comitê de planejamento nacional da China para o desenvolvimento do armazenamento de energia. Juntamente com engenheiros e formuladores de políticas, o comitê está trabalhando em um plano de pesquisa e desenvolvimento de cinco anos, que começará no próximo ano. Entre outros elementos, ele incentivará os cientistas a desenvolver tecnologias de armazenamento de energia para a rede elétrica que sejam intrinsecamente mais seguras, mais baratas e tenham uma vida útil mais longa.
Pesquisador de energia solar Xianglei Liu, na Escola de Engenharia de Energia e Energia da Universidade de Aeronáutica e Astronáutica de Nanjing, diz que há financiamento disponível para cientistas em sua área para melhorar a produção de energia limpa da China. “O ambicioso objetivo do governo de usar mais energia limpa significa que há muito financiamento”, diz Liu.
Por exemplo, no ano passado, Liu ganhou uma subvenção de 1,3 milhões de yuans da National Natural Science Foundation of China, a maior agência de financiamento do país, para melhorar a capacidade de armazenamento de calor dos materiais usados em usinas de energia solar térmica, que geram energia a partir do calor do Sol, em vez de a partir de sua luz, como fazem os painéis fotovoltaicos. O projecto de 5 anos envolve cerca de 40 cientistas de 6 institutos académicos de toda a China. Liu também começou recentemente a trabalhar com a empresa Nanjing Jinhe Energy Materials para desenvolver um material com grande densidade de armazenamento de energia e alta condutividade térmica.
Yi Jin, diretor de pesquisa e desenvolvimento da Nanjing Jinhe Energy Materials, diz que, como o governo está planejando reduzir os subsídios às empresas de energia renovável, as empresas que administram usinas de energia verde estão ansiosas para comprar ou investir em tecnologia que aumentará sua produção e diminuirá os custos de produção.
“Nossa tecnologia melhora a estabilidade da energia renovável e assim reduz os custos das centrais elétricas, tornando-as mais eficientes”, diz Jin.
Overall, Hong Li está otimista de que o investimento do governo e o progresso científico vencerão”. “Desde que desenvolvamos as políticas e tecnologias certas para as apoiar”, diz ele, “podemos reduzir gradualmente a nossa dependência do carvão”.