Queridos colegas e amigos,
Wayne Hicks escreveu este artigo, que é compartilhado por um estimado colega que trabalha com o tema da energia. O artigo foi publicado na seção de notícias do site do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) e traduzido por nós para este espaço. Vamos ver do que se trata...
Qualquer pessoa que já tenha andado descalço na praia em um dia ensolarado terá uma ideia melhor de quanto calor a areia pode suportar. Espera-se que essa capacidade desempenhe um papel vital no futuro, à medida que a tecnologia envolvendo areia quente se torna parte da resposta às necessidades de armazenamento de energia.
A maioria das pessoas provavelmente pensa em baterias em termos de armazenamento de energia para uso posterior, mas existem outras tecnologias. A energia hidrelétrica de armazenamento bombeado é um método comum, embora exija reservatórios em diferentes altitudes e seja limitada pela geografia. Outra abordagem é baseada no que é conhecido como armazenamento de energia térmica, ou TES, que usa sais fundidos ou até rochas superaquecidas.
O TES parece promissor como uma alternativa de baixo custo às tecnologias de armazenamento existentes, e armazenar energia em partículas sólidas, como areia, fornece uma resposta imediata, sem restrições geológicas.
Afinal, a areia, como o ar e a água, está em toda parte.
“A areia é de fácil acesso. É ecologicamente correto. É estável, bastante estável, em uma ampla faixa de temperatura. Também é de baixo custo”, disse Zhiwen Ma, engenheira mecânica do Grupo de Sistemas de Energia Térmica do laboratório.
A necessidade de armazenamento a longo prazo.
A tecnologia patenteada desenvolvida e prototipada nos Laboratórios Nacionais de Energia Renovável (NREL) revela como aquecedores alimentados por fontes de energia renováveis, como eólica e solar, podem elevar a temperatura das partículas de areia até a temperatura desejada. A areia é então depositada em um silo para armazenamento e uso posterior, seja para gerar eletricidade ou processar calor em aplicações industriais. Um protótipo em escala de laboratório validou a tecnologia e permitiu que os pesquisadores criassem um modelo de computador que mostra que um dispositivo em escala comercial reteria mais de 95% de seu calor por pelo menos cinco dias.
“As baterias de íon-lítio realmente conquistaram o mercado com duas a quatro horas de armazenamento, mas se quisermos atingir nossas metas de redução de carbono, precisaremos de dispositivos de armazenamento de energia duradouros, que possam armazenar energia por dias”, disse Jeffrey Gifford, pesquisador de pós-doutorado no NREL.
Gifford, que já compartilha duas patentes com a Ma sobre trocadores de calor que convertem energia térmica armazenada em eletricidade, disse que usar areia ou outras partículas para armazenar energia térmica tem outra vantagem sobre as baterias. “O armazenamento de energia térmica por partículas não depende de materiais de terras raras ou materiais que tenham cadeias de suprimentos complexas e insustentáveis. Por exemplo, no caso das baterias de íon-lítio, há muitas histórias sobre o desafio de minerar cobalto de forma mais ética.”
Além do TES, a experiência de Gifford se concentra na dinâmica computacional de fluidos. Esse conhecimento é importante porque a areia deve fluir pelo dispositivo de armazenamento. Outros meios TES incluem concreto e rochas, que podem facilmente reter o calor, mas permanecem solidamente no lugar. “A transferência de calor é muito maior, mais rápida e mais eficaz se você mover o material”, disse Gifford.
O TES também tem outra vantagem importante: custo. Ma calculou que a areia é a opção mais barata para armazenamento de energia em comparação com quatro tecnologias rivais, incluindo armazenamento de energia por ar comprimido (CAES), energia hidrelétrica bombeada e dois tipos de baterias. O CAES e a energia hidrelétrica bombeada só podem armazenar energia por dezenas de horas.
O custo por quilowatt-hora para o CAES varia de 150 a 300 dólares, enquanto para o bombeamento de energia hidrelétrica é de cerca de 60 dólares. Uma bateria de íon de lítio custaria 300 dólares por quilowatt-hora e só seria capaz de armazenar energia por uma a quatro horas. Com uma vida útil de centenas de horas, a areia como meio de armazenamento custaria entre 4 e 10 dólares por quilowatt-hora. Para garantir um baixo custo, o calor seria gerado usando eletricidade de baixo custo e fora dos horários de pico.
Ma, que detém várias patentes sobre a tecnologia, atuou anteriormente como investigadora principal em um projeto financiado pela ARPA-e conhecido como ENDURING, para armazenamento econômico de eletricidade de longo prazo usando armazenamento de energia térmica de baixo custo e ciclos de energia de alta eficiência. O novo protótipo surgiu desse projeto.
A próxima etapa é a inovação em 2025 de um sistema de armazenamento de energia térmica elétrica (ETES) no campus Flatirons do NREL, nos arredores de Boulder, Colorado, que será projetado para armazenar energia por 10 a 100 horas. O sistema autônomo está livre de restrições de localização que limitam onde o CAES ou a energia hidrelétrica de armazenamento bombeado podem ser estabelecidos.
O projeto de demonstração financiado pelo DOE, disse Ma, visa mostrar o potencial comercial da areia para a TES.
Os sais fundidos já são usados para armazenar energia temporariamente, mas congelam a cerca de 220° C (428° F) e começam a se decompor a 600° C. A areia que Ma pretende usar vem do solo do meio-oeste dos Estados Unidos, não há necessidade de evitar que ela “congele” e pode reter consideravelmente mais calor, na faixa de 1.100° C (2.012° F), que pode armazenar calor para geração de energia ou para substituir a queima de combustíveis fósseis pelo calor industrial.
“Isso representa uma nova geração de armazenamento além dos sais fundidos”, disse Ma.
Decida o que armazenará o calor
Mas alguma areia velha serve? Não, de acordo com pesquisadores do NREL, que examinaram várias partículas sólidas para determinar sua capacidade de fluir e reter calor. Em um artigo publicado no outono passado na Solar Energy, Ma e outros fizeram experiências com oito candidatas a partículas sólidas. Entre as partículas consideradas estavam materiais cerâmicos artificiais usados em fraturamento, argila de sílex calcinada, alumina fundida marrom e areia de sílica. A argila derretida e a alumina foram rejeitadas devido à instabilidade térmica na temperatura alvo de 1200° C (2192° F).
Os materiais cerâmicos superaram a areia em todas as categorias, mas os ganhos marginais no desempenho foram considerados insuficientes para justificar o custo mais alto. Enquanto a areia custa entre 30 e 80 dólares a tonelada, os preços dos materiais cerâmicos foram aproximadamente duas vezes mais altos. A areia é encontrada na forma ultrapura do quartzo alfa e está prontamente disponível no Centro-Oeste.
Expandir a quantidade de energia que pode ser armazenada na areia é tão simples quanto adicionar mais areia, disse Craig Turchi, gerente do Grupo de Pesquisa em Ciência e Tecnologia de Energia Térmica do NREL.
“É um custo marginal adicionar capacidade de armazenamento adicional”, disse ele. “Precisamos de um armazenamento que varie de minutos a meses. As baterias tiveram um desempenho muito bom no espaço de minutos a horas em termos de escala. E quando você chega a meses de armazenamento, geralmente procura produzir um combustível como o hidrogênio para fornecer esse armazenamento a longo prazo. Mas no período entre várias horas e duas semanas, não há uma boa opção no momento. O hidrogênio é muito caro para isso. As baterias são muito caras para isso.”
Os componentes necessários para converter areia superaquecida em eletricidade exigem um custo inicial. “Mas depois de pagar por isso”, disse Turchi, “se você quiser apenas ter mais vida útil da bateria, é muito, muito mais barato adicionar mais areia do que a alternativa, que é continuar adicionando baterias
