Durante a primavera no noroeste do Pacífico, a água do degelo da neve corre pelos rios e o vento geralmente sopra forte. Essas forças giram as muitas turbinas de energia da região e geram uma grande quantidade de eletricidade em um momento de temperaturas amenas e demanda de energia relativamente baixa. Mas grande parte dessa eletricidade excedente sazonal – que poderia alimentar condicionadores de ar no verão – é perdida porque as baterias não podem armazená-la por tempo suficiente.
Pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), um laboratório nacional do Departamento de Energia em Richland, Washington, estão desenvolvendo uma bateria que pode resolver esse problema. Em recente artigo publicado em Relatórios Celulares Ciências Físicaseles demonstraram como congelar e descongelar uma solução de sal fundido cria uma bateria recarregável que podem armazenar energia de forma barata e eficiente por semanas ou meses de cada vez. Essa capacidade é crucial para mudar a rede dos EUA de combustíveis fósseis que liberam gases de efeito estufa e em direção a energia renovável. O presidente Joe Biden estabeleceu como meta reduzir as emissões de carbono dos EUA pela metade até 2030, o que exigirá um grande aumento das fontes de energia eólica, solar e outras fontes de energia limpa, bem como maneiras de armazenar a energia que produzem.
A maioria das baterias convencionais armazena energia como reações químicas esperando para acontecer. Quando a bateria está conectada a um circuito externo, os elétrons viajam de um lado da bateria para o outro através desse circuito, gerando eletricidade. Para compensar a mudança, partículas carregadas chamadas íons se movem através do fluido, pasta ou material sólido que separa os dois lados da bateria. Mas mesmo quando a bateria não está em uso, os íons gradualmente se difundem por esse material, que é chamado de eletrólito. Como isso acontece ao longo de semanas ou meses, a bateria perde energia. Algumas baterias recarregáveis podem perder quase um terço de sua carga armazenada em um único mês.
“Em nossa bateria, realmente tentamos interromper essa condição de autodescarga”, diz o pesquisador do PNNL Guosheng Li, que liderou o projeto. O eletrólito é feito de uma solução salina que é sólida à temperatura ambiente, mas se torna líquida quando aquecida a 180 graus Celsius – aproximadamente a temperatura na qual os biscoitos são assados. Quando o eletrólito é sólido, os íons são travados no lugar, evitando a autodescarga. Somente quando o eletrólito se liquefaz, os íons podem fluir através da bateria, permitindo que ela carregue ou descarregue.
Criar uma bateria que possa suportar ciclos repetidos de aquecimento e resfriamento não é tarefa fácil. As flutuações de temperatura fazem com que a bateria se expanda e contraia, e os pesquisadores tiveram que identificar materiais resilientes que pudessem tolerar essas mudanças. “O que vimos antes é muita pesquisa ativa para garantir que você não precise passar por esse ciclo térmico”, diz Vince Sprenkle, consultor estratégico em armazenamento de energia do PNNL e coautor do novo artigo. “Estamos dizendo: ‘Queremos passar por isso e queremos ser capazes de sobreviver e usar isso como um recurso-chave.’”
O resultado é uma bateria recarregável feita de materiais relativamente baratos que podem armazenar energia por longos períodos. “É um ótimo exemplo de uma tecnologia promissora de armazenamento de energia de longa duração”, diz Aurora Edington, diretora de políticas da associação do setor elétrico GridWise Alliance, que não esteve envolvida nesta pesquisa. “Acho que precisamos apoiar esses esforços e ver até onde podemos levá-los à comercialização.”
A tecnologia pode ser particularmente útil em um lugar como o Alasca, onde a luz solar quase constante do verão coincide com taxas relativamente baixas de uso de energia. Uma bateria que pode armazenar energia por meses pode permitir que a energia solar abundante no verão atenda às necessidades de eletricidade no inverno. “O que é tão atraente na bateria de congelamento-descongelamento é a capacidade de mudança sazonal”, diz Rob Roys, diretor de inovação da Launch Alaska, uma organização sem fins lucrativos que trabalha para acelerar a implantação de tecnologias climáticas no estado. Roys espera pilotar a bateria do PNNL em uma parte remota de seu estado.
Aquecer a bateria pode ser um desafio, especialmente em locais frios. Mesmo sob condições amenas, o processo de aquecimento requer energia equivalente a cerca de 10 a 15 por cento da capacidade da bateria, diz Li. As fases posteriores do projeto explorarão maneiras de diminuir os requisitos de temperatura e incorporar um sistema de aquecimento na própria bateria. Esse recurso simplificaria a bateria para o usuário e poderia torná-la adequada para uso doméstico ou em pequena escala.
No momento, a tecnologia experimental é voltada para usos industriais e em escala de utilidade. Sprenkle prevê algo como contêineres de caminhão-reboque com baterias enormes dentro, estacionados ao lado de parques eólicos ou painéis solares. As baterias seriam carregadas no local, resfriadas e levadas para instalações chamadas subestações, onde a energia poderia ser distribuída através de linhas de energia conforme necessário.
A equipe do PNNL planeja continuar desenvolvendo a tecnologia, mas em última análise caberá à indústria desenvolver um produto comercial. “Nosso trabalho no DOE é realmente arriscar novas tecnologias”, diz Sprenkle. “A indústria tomará a decisão se eles acham que foi arriscado o suficiente, e eles vão levar isso adiante.”
O DOE está trabalhando para diminuir o atraso que geralmente ocorre entre as demonstrações iniciais de pesquisa e a comercialização de tecnologias de energia. Embora os cientistas tenham começado a desenvolver baterias de íons de lítio na década de 1970, por exemplo, as baterias não chegaram aos produtos de consumo até cerca de 1991 e não foram incorporadas às redes elétricas até o final dos anos 2000. A inteligência artificial e o aprendizado de máquina podem ajudar a agilizar o processo de validação e teste de novas tecnologias, diz Sprenkle, permitindo que os pesquisadores modelem e prevejam uma década de desempenho da bateria sem precisar de 10 anos para coletar os dados.
Não está claro se a adoção acontecerá com rapidez suficiente para cumprir as metas de descarbonização. “Se estamos realmente tentando atingir as metas de descarbonização de 2030 e 2035, todas essas tecnologias precisam ser aceleradas por um fator de cinco”, diz Sprenkle. “Você está olhando para os desenvolvimentos que precisam estar online, ser validados e prontos para entrega nos próximos quatro a cinco anos para realmente ter um impacto.”
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