Como sal e areia podem substituir as baterias de lítio

Nós sabemos que o futuro da energia está nas fontes renováveis: elas foram a fonte de energia mais barata do mundo em 2020. E isso é uma notícia muito boa. Mas tem um pequeno problema: como armazenar toda essa energia?

Não faz sol o tempo todo, nem venta toda hora. Por isso, precisamos de uma maneira de estocar a energia. Até agora, as baterias mais usadas armazenar energias renováveis tem sido as de íon de lítio.

Mas a mineração polui, pessoas são exploradas e essas baterias podem explodir. Elas não duram o suficiente, e vamos precisar de muito mais capacidade. Então, quais são nossas opções?

Eu te apresento! Sal, água, gravidade, ar muito quente, ar muito frio. .

. e enormes pilhas de areia. Parecem substâncias para um laboratório escolar.

. . Será que esses ingredientes poderiam ser a receita para resolver nosso problema de armazenamento de energia?

Antes de falarmos sobre as novas alternativas, precisamos falar sobre a bateria de íon de lítio. É o segmento de baterias que mais cresce no mundo. Cientistas começaram a desenvolver essas baterias durante a crise do petróleo da década de 1970.

Eles esperavam que as baterias de íon de lítio permitissem ao Ocidente se afastar dos combustíveis fósseis. Se isto soa vagamente familiar, é porque nada mudou! Mas demorou bastante para podermos comprar uma bateria dessas.

Os engenheiros Stanley Whittingham, Akira Yoshino e John B. Goodenough ajudaram a desenvolver as primeiras baterias de íon de lítio comercialmente disponíveis e que chegaram ao mercado apenas em 1991. O trio venceu o Prêmio Nobel de Química pelo feito.

A bateria de íon de lítio é boa para fornecer bastante eletricidade em impulsos mais curtos – o que é ideal para aparelhos eletrônicos e agora carros elétricos. E é também praticamente a única bateria que usamos para armazenar energia renovável nas redes em grande escala. Mas a mineração de lítio é problemática.

O processo de extração envolve o bombeamento de reservatórios subterrâneos de água para a superfície. São necessários cerca de 70 mil litros de água para fazer uma tonelada de lítio. Mais da metade dos recursos estão entre Argentina, Bolívia e Chile – a mineração do lítio consome 65% do já escasso abastecimento de água na região.

As baterias de íon de lítio também costumam usar cobalto, um metal de transição caro e extraído principalmente na República Democrática do Congo. Diversas reportagens já revelaram a exploração explícita nestes campos de mineração, incluindo mão de obra infantil e a destruição de comunidades locais. As baterias de íon de lítio podem ser inflamáveis – se é proibido levá-las num avião, então definitivamente o uso de um modelo gigante para armazenar energia de rede deveria ser repensado.

E elas não tem vida longa, porque perdem capacidade com o passar do tempo. As baterias de íon de lítio funcionam, mas não podem ser a única solução para armazenar energia, especialmente em rede em grande escala. De acordo com a Agência Internacional de Energia, vamos precisar de cerca de 10.

000 gigawatts-hora de armazenamento de energia em todo o mundo até 2040 para atingirmos as metas climáticas. Isso é 50 vezes o tamanho do mercado atual. Hoje, outra tecnologia – a chamada usina hidrelétrica reversível – é responsável por 96% da capacidade global de armazenamento de energia.

Esta é Ramya Swaminathan. Ela preside uma empresa de armazenamento térmico – sobre a qual vamos falar mais tarde. E ela não tem nada contra o uso de água para gerar e armazenar energia.

Mas esses projetos são difíceis de construir. Esses reservatórios ocupam muito espaço e precisam de uma geografia específica: dois lagos e uma colina. Muitos também operam em barragens hidrelétricas convencionais, mas elas exigem um grande capital inicial e interferem no ecossistema local.

Para armazenar energia renovável é preciso mais flexibilidade e modularidade do que esses reservatórios oferecem. Uma alternativa promissora em pleno avanço é baseada em algo que você pode encontrar na sua cozinha: o sal! Esta é Rosa Palacín.

Ela pesquisa baterias no Instituto de Ciência de Materiais de Barcelona. Ela diz que esta é a alternativa mais simples porque basicamente imita a tecnologia da bateria de íon de lítio. O sódio também tem um elétron de valência – o número de elétrons na camada mais externa.

Além disso, o sódio é mil vezes mais abundante, é de 20% a 40% mais barato e não é sensível a mudanças de temperaturas. Ou seja, não há perigo de explodir. Mas ele tem menor densidade de energia – o que exige baterias mais pesadas, e é por isso que elas nunca foram comercializadas.

Mas se for para alimentar a rede elétrica, isso não importa tanto, pois toda a estrutura é estacionária. E neste exato momento, o tempo está correndo. Embora já esteja no mercado, analistas esperam que a tecnologia seja produzida em escala industrial nos próximos anos.

Há também pesquisas em andamento para baterias de cálcio, magnésio e zinco, mas para estas. . .

Falando em sal… E se pudéssemos armazenar energia na forma de calor em sal. . .

Um sal muito, muito, muito quente? Isso é o que a empresa de Ramya está fazendo nos EUA. Acontece que o sal derretido é um excelente meio para armazenar calor.

Parece um pouco com água e tem aproximadamente a mesma viscosidade. Essa tecnologia funciona assim: quando há excesso de eletricidade, a energia é usada para aquecer um tanque de armazenamento de sal fundido grande e isolado a temperaturas muito altas. E o sal tem um ponto de fusão alto, ou seja pode absorver muita energia.

Ele perde pouco deste calor e pode mantê-lo por mais de 6 horas. Quando houver demanda por energia, a usina converte o calor em eletricidade por meio de uma turbina. Uma dessas usinas pode fornecer 100 megawatts– o suficiente para alimentar uma cidade grande - por pelo menos 10 horas.

A primeira planta comercial planejada pela empresa de Ramya não será inaugurada antes de 2025. Embora os custos de material sejam relativamente baixos e o sistema seja bastante escalonável, a eficiência energética dele ainda fica atrás da hidrelétrica e do lítio. É possível fazer algo semelhante com as pilhas de areia que mencionamos no começo deste vídeo.

Um grupo de finlandeses decidiu usar areia para solucionar um dos maiores problemas da Finlândia: o aquecimento. Em vez de converter o calor de volta em eletricidade, este calor é usado diretamente. Este é Markku Ylönen.

Ele é cofundador de uma empresa que fabrica baterias de areia. De quanta areia estamos falando? Esta técnica pode armazenar calor em torno de 500 a 600 graus Celsius por meses.

Este calor então é transferido diretamente para aquecer edifícios municipais. E mais importante: poderia fornecer calor para o setor da indústria pesada, que é um dos maiores emissores de gases de efeito estufa. Em países frios, esta solução faz muito sentido.

Atualmente, a Polar Night Energy possui um sistema que aquece Kankaanpää, uma cidade no sudoeste da Finlândia com uma população de 13 mil habitantes. A bateria de areia de 100 toneladas pode tecnicamente ficar quente por meses, mas eles a recarregam em ciclos de 2 semanas para mantê-la eficiente. A empresa também está tentando obter areia que não é usada na indústria da construção – já que esta também é escassa – e planeja fabricar baterias maiores.

Bom, a gente precisa ter em mente que estas são apenas algumas soluções – existem dezenas de tecnologias disponíveis, cada uma disputando seu espaço no mercado. As baterias de fluxo redox, por exemplo, são outro grande concorrente para o armazenamento em grande escala. Elas funcionam de maneira similar às baterias de íon de lítio.

A diferença principal é que nas baterias de íon de lítio os elétrons viajam entre dois eletrodos através de um líquido chamado eletrólito, criando uma corrente. Em uma bateria de fluxo, esse eletrólito é armazenado externamente. Quanto maior o tanque, maior a capacidade de armazenamento, o que significa que a bateria de fluxo pode ser dimensionada com muita facilidade.

E o que precisa de armazenamento em grande escala? Você adivinhou: a rede elétrica! Até agora, as baterias de fluxo feitas com o metal vanádio são as mais avançadas, embora também haja pesquisas com ferro, bromo e sódio.

A vantagem do vanádio é que ele é basicamente imortal: ele pode ser reutilizado sem degradar. Uma bateria pode durar cerca de 30 anos, mas isso só porque é preciso substituir os canos e tanques. O vanádio pode ser retirado e usado em uma nova bateria.

Cada tecnologia tem vantagens e desvantagens, por isso é preciso encontrar a melhor aplicação para cada uma delas. Por causa do mercado de veículos elétricos, os investimentos têm se concentrado em novas tecnologias de baterias. No entanto, é esperado que o mercado global de armazenamento em grande escala em rede cresça 25% ao ano até 2027.

E a bateria de fluxo redox parece ser a tecnologia mais promissora, mas ainda não está comercialmente madura. A verdade é que não vamos abandonar as baterias de íon de lítio tão cedo. A enorme demanda por carros elétricos significa que algumas das tecnologias em desenvolvimento vão acabar sendo direcionadas para o uso na rede elétrica.

Mas a indústria de combustíveis fósseis está embutida na economia. É um grande desafio adaptar sistemas inteiros a alternativas renováveis. Mas há boas notícias!

O investimento existe: os gastos com baterias em grande escala para rede elétrica aumentaram em 60% em 2020. E, no final das contas, o custo é o maior fator que limita a adoção de novas tecnologias. É o mercado que dita o que será implementado e quando.

Mas, e para você, quais alternativas para armazenar energia apresentadas neste vídeo parecem viáveis? Escreva aqui nos comentários. E, se você gostou deste vídeo e quer saber mais sobre o que está acontecendo com o nosso meio ambiente, dá uma olhada na nossa playlist: Não tem Planeta B.