Energia
Avanços nas soluções de climatização com materiais eletrocalóricos
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A demanda de energia para aquecimento e resfriamento
A sociedade industrial consome muita energia para aquecer e resfriar edifícios e processos industriais. Segundo a IRENA, esses usos representam cerca de metade do consumo final de energia mundial. Essa classificação por uso final não deve ser somada ou comparada diretamente à eletricidade como se fossem categorias independentes.
Eletrificar e melhorar a eficiência dos sistemas de aquecimento, ventilação e ar-condicionado (HVAC) pode reduzir emissões, dependendo da fonte de eletricidade. A demanda energética por resfriamento de ambientes pode crescer muito até 2050, especialmente em países quentes e populosos; projeções de triplicação dependem das políticas e da eficiência adotadas.
Fonte: Daikin
As bombas de calor por compressão de vapor já são uma tecnologia importante para aquecimento e resfriamento eficientes.
O resfriamento eletrocalórico é uma alternativa em pesquisa que explora a mudança de temperatura de certos materiais sob variações de campo elétrico.
Como Funcionam as Bombas de Calor
As bombas de calor, incluindo as de compressão e os sistemas eletrocalóricos em desenvolvimento, transferem calor de uma região para outra usando energia externa.
Isso difere do aquecimento por combustão ou por resistência elétrica, no qual a energia do combustível ou da eletricidade é convertida diretamente em calor no equipamento.
No aquecimento de um edifício, uma bomba de calor pode retirar calor do ar exterior ou do solo e transferi-lo para o interior. Um equipamento reversível pode inverter o fluxo para resfriar o ambiente.
Uma bomba de calor pode transferir, por exemplo, 2 a 4 W de potência térmica por watt elétrico consumido. Isso corresponde a um coeficiente de desempenho de 2 a 4, não à criação de energia, e varia com a temperatura e as condições de operação.
Fonte: RMI
Entre as fontes ou destinos de calor estão o ar exterior, o solo por meio de tubulações e, em alguns sistemas, a água.
Além de residências, escritórios e estabelecimentos comerciais, bombas de calor podem ser usadas na indústria para aproveitar calor residual e fornecer calor a outros processos. O potencial de economia depende das temperaturas e da integração da instalação.
Fonte: Sintef
Bombas de Calor Eletrocalóricas para Ir Além da Compressão
Progresso na Tecnologia Eletrocalórica
As bombas de calor por compressão usam um fluido refrigerante em ciclos de compressão, condensação, expansão e evaporação. Alguns hidrofluorcarbonetos têm alto potencial de aquecimento global em caso de vazamento. A amônia tem potencial de aquecimento global direto praticamente nulo, embora exija cuidados por sua toxicidade; o consumo de energia também pode gerar emissões indiretas.
No efeito eletrocalórico convencional, a aplicação de um campo elétrico pode ordenar dipolos e aquecer o material em condições aproximadamente adiabáticas. A retirada do campo pode resfriá-lo. Um ciclo com trocas de calor e regeneração permite aproveitar esse efeito para refrigeração.
Fonte: Fraunhofer IPM
O efeito eletrocalórico é conhecido há décadas. Por muito tempo, as pequenas variações de temperatura medidas em muitos materiais limitaram seu interesse prático, embora os resultados dependessem da composição e das condições de teste.
Um avanço ocorreu em 2006, quando um filme fino de titanato-zirconato de chumbo apresentou uma variação de temperatura de cerca de 12 °C. Trata-se de variação de temperatura, não de capacidade de resfriamento medida em watts.
Pesquisadores do Luxembourg Institute of Science and Technology, em Belvaux, apresentaram um protótipo regenerativo com diferença de temperatura de até aproximadamente 20,9 K entre os lados. Isso é um avanço de laboratório, não prova de que um aparelho HVAC comercial esteja pronto.
Protótipo Eletrocalórico
O dispositivo estudado utiliza capacitores multicamadas de cerâmica de tantalato de escândio e chumbo, conhecida como PST. O material eletrocalórico principal deste protótipo não é um polímero.
Fonte: UPCommons
O estudo relata campo elétrico de até cerca de 10 V por micrômetro e potência máxima de resfriamento de 4,2 W. V/µm é unidade de campo elétrico, não de potência. A maior diferença de temperatura e a maior potência de resfriamento ocorrem em pontos de operação distintos.
Fonte: Techspot
Os autores relataram diferença de temperatura cerca de 50% maior e potência de resfriamento aproximadamente 15 vezes maior que as dos dispositivos eletrocalóricos anteriores usados na comparação. Esses valores não significam superioridade sobre todos os refrigeradores por compressão.
Os resultados ampliam as possibilidades dos dispositivos eletrocalóricos, mas a comparação deve considerar dimensões, condições de ensaio e desempenho do sistema completo.
Fonte: UPCommons
Fonte: UPCommons
O material também foi submetido a ciclos repetidos nos testes relatados, sem degradação significativa nas condições examinadas. Isso não estabelece vida útil ilimitada nem substitui ensaios de longa duração em aplicações comerciais.
A possibilidade de usar módulos sólidos compactos favorece a miniaturização. Além de futuras bombas de calor, há pesquisas de aplicação em eletrônicos e sistemas de baterias. É preciso avaliar também os circuitos elétricos e a transferência de calor do equipamento completo.
Há potencial de boa eficiência, especialmente com recuperação da energia elétrica do ciclo. No entanto, isso não demonstra que qualquer sistema eletrocalórico terá eficiência superior à das melhores bombas de calor por compressão.
Possíveis melhorias
A pesquisa publicada na revista Science descreve um protótipo e discute caminhos para melhorar seu desempenho.
O protótipo utiliza um fluido dielétrico para reduzir o risco de curto-circuito. Suas propriedades de transferência de calor são menos favoráveis que as da água em alguns aspectos relevantes.
Encapsular os capacitores multicamadas contra a água poderia permitir outros fluidos e melhorar a transferência de calor. Isso exigiria validar isolamento elétrico, compatibilidade dos materiais e durabilidade.
Aumentar a quantidade e a densidade dos capacitores pode ampliar a potência de resfriamento, mas também exige administrar o fluxo de fluido, as perdas elétricas e a transferência de calor.
Módulos mais finos e planos são outra possibilidade. Campos elétricos mais altos podem aumentar o efeito, mas estão limitados pela ruptura dielétrica, pela confiabilidade e pela segurança.
Empresas do setor de bombas de calor
No contexto de 2024, a refrigeração eletrocalórica ainda era uma tecnologia em desenvolvimento. Não havia ampla adoção comercial de bombas de calor HVAC baseadas no protótipo descrito, o que é diferente de afirmar que nenhuma empresa trabalhava em sua comercialização.
Institutos e empresas podem buscar licenciamento e desenvolvimento de produtos, mas transformar resultados de laboratório em equipamentos competitivos requer etapas adicionais de engenharia e validação.
Fabricantes estabelecidos de bombas de calor poderiam ter interesse na tecnologia. Isso não comprova que qualquer uma das empresas abaixo já tenha um acordo de licenciamento eletrocalórico.
Escalar a fabricação e distribuir novos sistemas pode exigir capital significativo. Grandes fabricantes têm recursos e canais de venda, mas isso não garante que serão os primeiros ou os únicos a ter sucesso.
1. Carrier Global
CARR Gráfico de preços
A Carrier atua em HVAC, além de negócios historicamente ligados à cadeia de frio e à proteção contra incêndio e segurança. O quadro de mais de 58 mil funcionários citado no artigo é um dado histórico. As aquisições e alienações realizadas em 2024 mudaram a composição do grupo, e bombas de calor são uma de suas prioridades.
As Américas tinham grande peso nas vendas, e HVAC representava mais da metade da receita na composição histórica apresentada. A reorganização do portfólio exige atenção ao ano de referência.
Fonte: Carrier Global
Os números citados de mais de 330 mil sistemas HVAC comerciais, 33 milhões residenciais, 1,8 milhão de equipamentos de refrigeração e 90 milhões de sistemas de incêndio e segurança descrevem a base instalada histórica apresentada pela empresa, não a carteira atual após todas as alienações.
A Carrier estabeleceu metas de redução de emissões até 2030. Metas corporativas devem ser distinguidas de resultados já alcançados.
O impacto climático dos refrigerantes está ligado principalmente aos fluidos de alto potencial de aquecimento global e aos vazamentos, não à amônia como se fosse um forte gás de efeito estufa. Sistemas eletrocalóricos poderiam evitar alguns desses fluidos, mas ainda teriam impactos associados à eletricidade, fabricação, materiais e descarte.
Fonte: Carrier Global
2. Daikin Industries
Fundada no Japão em 1924, a Daikin é uma das maiores fabricantes de ar-condicionado do mundo. Seu posicionamento como número um depende do segmento e da métrica comparados.
A Daikin tem longa atuação em climatização e bombas de calor. Em 2008, estabeleceu uma aliança com a Gree Electric Appliances, uma grande fabricante chinesa de ar-condicionado. O ano de 2006 não marca necessariamente o início de toda a atividade da Daikin em bombas de calor.
A empresa vende nas Américas, na Europa e na Ásia. Seu relatório citado registrava crescimento de aproximadamente 23 vezes nas vendas na Índia entre 2009 e 2022; é uma comparação histórica, não uma taxa anual ou garantia de crescimento futuro.
Fonte: Daikin
A Daikin promove o refrigerante R32, cujo potencial de aquecimento global é menor que o de misturas como R410A. O R32 ainda tem impacto climático e não é inferior ao de todas as alternativas, incluindo refrigerantes naturais.
Uma eventual alternativa eletrocalórica competitiva poderia mudar o mercado. Como a tecnologia ainda exige desenvolvimento, não se pode concluir que represente uma ameaça comercial imediata à Daikin.
Fonte: Daikin
A capacidade de pesquisa da empresa pode ajudar a avaliar novas tecnologias. Seu centro de tecnologia e inovação inaugurado em 2015, com investimento citado de cerca de US$ 300 milhões é um exemplo dessa infraestrutura, não prova de um produto eletrocalórico em desenvolvimento.
A Daikin ampliou o acesso sem royalties a determinadas patentes relacionadas a equipamentos com R32 em 2015 e 2019, com nova expansão posterior. Isso não equivale à liberação de todas as patentes do grupo em todos os campos tecnológicos.
3. NIBE Group
A NIBE oferece exposição às bombas de calor e a outras tecnologias de aquecimento. Seu portfólio não se limita a sistemas eletrocalóricos nem elimina os riscos de concorrência e demanda.
O grupo fabrica bombas de calor e também fogões e equipamentos de aquecimento a lenha. A queima de madeira emite CO2 e poluentes; sua neutralidade climática não é automática e depende da origem da biomassa e do horizonte considerado.
Originária da Suécia, a NIBE vende nos países nórdicos, em outros mercados europeus e fora da Europa. O número de 21.333 funcionários citado corresponde a 2022.
Fonte: Nibe
Segundo uma estimativa histórica da empresa, suas bombas de calor evitaram cerca de 360 mil toneladas de CO2 em 2021. O resultado depende das hipóteses sobre o aquecimento substituído e a eletricidade utilizada, não é uma redução universal garantida a cada ano.
A NIBE é um fabricante importante de bombas de calor, mas comparar seu tamanho ao de Daikin ou Carrier exige definir produto, região, receita e período. Não basta considerar o grau de especialização.
A pesquisa eletrocalórica em países como Luxemburgo e Alemanha pode gerar oportunidades de colaboração industrial. A proximidade geográfica não garante acesso privilegiado ou pioneirismo comercial para a NIBE.
