Os cientistas criaram uma bateria projetada para a rede elétrica que bloqueia a energia por meses sem perder muita capacidade de armazenamento.
O desenvolvimento da “bateria de congelamento-descongelamento”, que congela sua energia para uso posterior, é um passo em direção a baterias que podem ser usadas para armazenamento sazonal: economizar energia em uma estação, como a primavera, e gastá-la em outra, como outono.
O protótipo é pequeno, do tamanho de um disco de hóquei. Mas a utilidade potencial da ciência por trás do dispositivo é vasta, prevendo um momento em que a energia de fontes intermitentes, como a luz do sol e o vento, pode ser armazenada por um longo tempo. O trabalho de cientistas do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia foi publicado online em 23 de março na revista Cell Reports Physical Science.
“Tecnologias de armazenamento de energia de longa duração são importantes para aumentar a resiliência da rede ao incorporar uma grande quantidade de energia renovável”, disse Imre Gyuk, diretor de armazenamento de energia do Escritório de Eletricidade do DOE, que financiou o trabalho. “Esta pesquisa marca um passo importante em direção a uma solução de armazenamento de bateria sazonal que supera as limitações de autodescarga das tecnologias de bateria atuais”.
Aproveitando e embalando a energia da natureza
As fontes renováveis fluem e diminuem com os ciclos da natureza. Isso torna difícil incluí-los em um fluxo confiável e estável de eletricidade. No Noroeste do Pacífico, na primavera, por exemplo, os rios estão carregados de represas hidrelétricas ao máximo, assim como os ventos sopram ferozmente pelo desfiladeiro de Columbia. Toda essa energia deve ser aproveitada imediatamente ou armazenada por alguns dias no máximo.
Os operadores de rede adorariam aproveitar essa energia da primavera, armazená-la em grandes baterias e liberá-la no final do ano, quando os ventos da região são lentos, os rios estão baixos e a demanda por eletricidade atinge os picos.
As baterias também aumentariam a capacidade das concessionárias de resistir a uma queda de energia durante tempestades severas, disponibilizando grandes quantidades de energia para serem alimentadas na rede após um furacão, um incêndio ou outra calamidade.
“É muito parecido com cultivar alimentos em seu jardim na primavera, colocar o extra em um recipiente em seu freezer e depois descongelá-lo para o jantar no inverno”, disse o primeiro autor Minyuan “Miller” Li.
A bateria é carregada primeiro aquecendo-a a 180 graus Celsius, permitindo que os íons fluam através do eletrólito líquido para criar energia química. Em seguida, a bateria é resfriada à temperatura ambiente, essencialmente bloqueando a energia da bateria. O eletrólito se torna sólido e os íons que transportam energia ficam quase parados. Quando a energia é necessária, a bateria é reaquecida e a energia flui.
O fenômeno de congelamento-descongelamento é possível porque o eletrólito da bateria é o sal fundido – um primo molecular do sal de mesa comum. O material é líquido em temperaturas mais altas, mas sólido em temperatura ambiente.
O conceito de congelamento-descongelamento evita um problema familiar para quem deixou seu carro parado por muito tempo: uma bateria que se descarrega automaticamente quando fica ociosa. Uma taxa de descarga rápida, como a de baterias na maioria dos carros ou laptops, prejudicaria uma bateria de rede projetada para armazenar energia por meses. Notavelmente, a bateria de congelamento-descongelamento do PNNL reteve 92% de sua capacidade ao longo de 12 semanas.
Em outras palavras, a energia não se degrada muito; é preservado, assim como comida em um freezer.
Ingredientes comuns uma vantagem
A equipe evitou materiais raros, caros e altamente reativos. Em vez disso, a bateria de alumínio-níquel-sal fundido está repleta de materiais comuns e abundantes na Terra. O ânodo e o cátodo são placas sólidas de alumínio e níquel, respectivamente. Eles estão imersos em um mar de eletrólito de sal fundido que é sólido à temperatura ambiente, mas flui como um líquido quando aquecido. A equipe adicionou enxofre – outro elemento comum e de baixo custo – ao eletrólito para aumentar a capacidade de energia da bateria.
Uma das maiores vantagens da bateria é a composição de um componente, chamado separador, colocado entre o ânodo e o cátodo. A maioria das baterias de sal fundido de alta temperatura requer um separador cerâmico, que pode ser mais caro de fabricar e suscetível a quebra durante o ciclo de congelamento-descongelamento. A bateria PNNL usa fibra de vidro simples, possível devido à química estável da bateria. Isso reduz custos e torna a bateria mais resistente ao passar por ciclos de congelamento-descongelamento.
“Reduzir os custos da bateria é fundamental. É por isso que escolhemos materiais comuns e menos caros para trabalhar e por isso nos concentramos em remover o separador cerâmico”, disse o autor correspondente Guosheng Li, que liderou o estudo.
A energia da bateria é armazenada a um custo de material de cerca de US$ 23 por quilowatt-hora, medido antes de um recente salto no custo do níquel. A equipe está explorando o uso de ferro, que é mais barato, na esperança de reduzir o custo dos materiais para cerca de US$ 6 por quilowatt-hora, cerca de 15 vezes menos do que o custo dos materiais das baterias de íons de lítio atuais.
A densidade de energia teórica da bateria é de 260 watts-hora por quilograma – maior do que as baterias de chumbo-ácido e de fluxo atuais.
Os pesquisadores apontam que as baterias projetadas para armazenamento sazonal provavelmente carregariam e descarregariam apenas uma ou duas vezes por ano. Ao contrário das baterias projetadas para alimentar carros elétricos, laptops ou outros dispositivos de consumo, elas não precisam durar centenas ou milhares de ciclos.
“Você pode começar a imaginar algo como uma grande bateria em um trator-reboque de 40 pés estacionado em um parque eólico”, disse o coautor Vince Sprenkle, consultor estratégico sênior do PNNL. “A bateria é carregada na primavera e, em seguida, o caminhão é conduzido pela estrada até uma subestação onde a bateria está disponível, se necessário, durante o calor do verão”.
Outros autores do artigo incluem os pesquisadores do PNNL Evgueni Polikarpov, Nathan Canfield, Mark Engelhard, J. Mark Weller e David Reed, e o ex-cientista do PNNL Xiaowen Zhan.
Publicado em 06/04/2022 10h50
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