Baterias de Calor Maturando Rapidamente Sem Necessidade de Mineração de Metais

Armazenamento de Energia em Grande Escala Necessário

Há uma necessidade crescente de sistemas de baterias capazes de armazenar muita energia por várias horas ou dias. Isso ocorre porque a energia solar e eólica é intermitente, variando ao longo do dia e de um dia para o outro.

Outro fator é a demanda de energia dos processos industriais, como a metalurgia. Essas fábricas precisam de energia 24 horas por dia, 7 dias por semana, geralmente para gerar muito calor na faixa de 1.000‑1.500 °C.

Usar baterias de íon‑lítio como as de veículos elétricos provavelmente não será uma solução viável em escala. Elas são simplesmente caras demais, não duráveis o suficiente e consomem muitos materiais crus.

É por isso que muitas químicas alternativas de baterias foram consideradas para o armazenamento de energia em escala de utilidade. Analisamos a maioria dessas opções em nosso artigo “O Futuro do Armazenamento de Energia – Tecnologia de Baterias em Escala de Utilidade“, incluindo lítio‑ferro‑fosfato, íon‑sódio, fluxo redox, ferro‑ar, metal fundido, níquel‑hidrogênio, sódio‑enxofre, etc.

Todas essas baterias armazenam energia na forma de eletricidade de uma forma ou de outra, geralmente através da oxidação e redução de um metal.

O problema é que mesmo metais muito comuns, como ferro ou alumínio, ainda exigiriam muita mineração. E se armazenássemos energia em outra forma?

Armazenamento de Calor

There is a surprisingly large number of options for storing energy without using electricity as a means of storage. We looked at them in further detail in “Alternativas Não Químicas às Baterias para a Transição Energética“. These options include:

• Ar comprimido.
• Baterias gravitacionais (rochas, hidroelétrica bombeada).
• Baterias de calor.
• Volantes de inércia.
• Solar térmico.

Cada uma dessas opções, baterias e não‑baterias, tem vantagens e desvantagens. A solução ideal de armazenamento de energia atenderia a algumas características:

• Não requer metais nem materiais raros.
• Armazenamento de energia de longa duração.
• Baixo custo.
• Facilmente escalável sem limitação de locais ou recursos disponíveis.
• Pode ser usado como eletricidade com perdas mínimas.

Para os primeiros 4/5 itens, o armazenamento de calor atenderia às necessidades. Baterias de areia, como as da empresa finlandesa Polar Night Energy, podem armazenar o excesso de energia do verão para o inverno, algo essencial para alimentar com renováveis os sistemas de aquecimento nos invernos gelados e sem sol do Norte. E utilizam apenas areia de baixa qualidade e um pouco de metal para a estrutura e tubulação.

Fonte: Polar Night Energy

Uma bateria de calor semelhante é idealizada pela Rondo Energy, com tijolos que podem ser aquecidos até 1500 °C, usando o calor para processos industriais como produção de cimento ou aço.

Essas baterias de calor funcionam bem quando o produto desejado é aquecido inicialmente, seja para aquecimento distrital de apartamentos ou calor industrial.

Fonte: Rondo Energy

No entanto, acreditava‑se que as baterias de calor eram inadequadas para fornecer energia à rede, pois a eficiência de converter calor de volta em eletricidade costuma ficar na faixa baixa de 20‑30 %. Isso significaria que até 4/5 da energia “armazenada” é realmente perdida. Ou, de outra forma, a energia armazenada torna‑se repentinamente 5 vezes mais cara do que quando foi produzida.

Even with solar energy now on par with fossil fuel energy, it is still far from being five times cheaper. However, this issue might be only temporary, with innovation in a technology called thermophotovoltaics.

Células Termofotovoltaicas – Fotovoltaicas, Mas com Calor

Termofotovoltaica é a ideia de gerar energia de forma semelhante às fotovoltaicas tradicionais, mas com calor em vez de luz solar — ou, mais precisamente, luz infravermelha emitida por materiais aquecidos.

Em um painel fotovoltaico tradicional, qualquer frequência de luz abaixo de um determinado limiar não possui energia suficiente para gerar corrente e é desperdiçada. Isso ocorre com toda a luz infravermelha, pois as ondas eletromagnéticas infravermelhas têm energia muito baixa.

Isso não é uma tecnologia nova em si, mas sempre sofreu de um nível de eficiência muito baixo para ser adotada amplamente. Isso foi verdade até a recente conquista de pesquisadores da Universidade de Michigan, que divulgaram seus resultados em uma publicação científica intitulada “Células termofotovoltaicas de ponte aérea de alta eficiência“.

Eles afirmam ter alcançado uma eficiência recorde de 44 % para temperaturas abaixo de 1.500 °C, muito superior aos resultados anteriores, que só atingiam 37 %.

E os pesquisadores acreditam que têm um caminho para alcançar 50 % “num futuro não muito distante”.

Fonte: Cell

Como Funcionam as Células Termofotovoltaicas?

Primeiro, o material de armazenamento, que pode ser pedra, areia, carbono, tijolos, cerâmica, etc., deve ser aquecido, seja com eletricidade excedente de fontes renováveis ou calor solar direto.

A 1.435 °C, cerca de 20‑30 % dos fótons infravermelhos que ele emitirá têm energia suficiente para gerar eletricidade nas células termofotovoltaicas da equipe de pesquisadores.

Fonte: Design Boom

As outras frequências infravermelhas não podiam ser convertidas em eletricidade com o semicondutor usado no painel termofotovoltaico.

Então, como eles chegaram a 44 % a partir daí? O engenhoso “truque” foi adicionar uma fina camada de ar à célula termofotovoltaica logo além do semicondutor e um refletor de ouro além da lacuna de ar.

Isso manteve os fótons com o nível adequado de energia presos e prontos para produzir eletricidade. Os demais eram enviados de volta ao material aquecido, reaquecendo‑o. Eles então teriam outra chance de ser direcionados novamente à célula termofotovoltaica com a frequência de luz correta.

Essencialmente, isso permite que a célula recicle o que não capturou na primeira vez, aumentando a eficiência de conversão geral.

Futuras Baterias de Calor

Uma eficiência de 44 % ou até 50 % pode não parecer tão impressionante quando comparada à hidroelétrica bombeada (70‑85 %) ou às baterias de íon‑lítio (85‑95 %).

Fonte: EESI

Mas isso ignoraria que a implantação em massa de armazenamento de energia em escala de utilidade tem tanto a ver com economia quanto com tecnologia.

As baterias têm uma vida útil medida em anos antes de necessitar de reciclagem. Além disso, simplesmente não há lítio suficiente e ainda menos cobre, níquel ou cobalto para implantá‑las nessa escala, especialmente quando a maior parte dessa produção de metal já é exigida pelos veículos elétricos.

Em contraste, as baterias de calor podem durar décadas com pouca ou nenhuma manutenção necessária. Elas exigem quase nenhum material além de pedra, areia ou argila. Podem ser construídas em qualquer lugar e em qualquer tamanho, até mesmo verdadeiramente gigantescas, com quase nenhum impacto nos ecossistemas, ao contrário da hidroelétrica.

Por fim, o calor é um dos métodos mais eficientes quando a energia precisa ser armazenada por semanas e meses, com praticamente todos os tipos de baterias “vazando” energia ao longo do tempo a uma taxa muito maior do que um sistema de armazenamento de calor bem isolado.

“É uma forma de bateria, mas muito passiva. Você não precisa minerar lítio como faz com células eletroquímicas, o que significa que não precisa competir com o mercado de veículos elétricos.

Ao contrário da água bombeada para armazenamento de energia hidrelétrica, você pode colocá‑la em qualquer lugar e não precisa de uma fonte de água nas proximidades,

Stephen Forrest, University Professor of Electrical Engineering at U-M

Portanto, no geral, uma bateria de calor pode ser a solução perfeita de armazenamento de energia para suavizar a intermitência das renováveis. E ainda armazenar o excesso de energia dos meses ventosos ou ensolarados para o inverno em climas temperados, ou para a estação chuvosa em climas tropicais.

Armazenamento de Calor / Empresas Termofotovoltaicas

1. II-VI Marlow / Coherent

II-VI (COHR ) Marlow é uma filial da II-VI Inc., líder da indústria no (atualmente ainda pequeno) campo de produção de células termofotovoltaicas. Em 2022, a II-VI Inc. adquiriu a fabricante de lasers Coherent Inc. (COHR ) e subsequentemente mudou seu nome corporativo.

A empresa é especialista em materiais avançados usados em lasers, óptica e fotônica, como fosfeto de índio, wafer epitaxial e arseneto de gálio. Ela cresceu consideravelmente graças a múltiplas aquisições na última década.

Fonte: Coherent

A atividade termofotovoltaica da empresa representa apenas uma pequena parte de sua receita total, com fibra óptica, laser e outros constituindo a maior parte de seus ganhos. Isso pode, porém, ser uma boa notícia para os investidores, pois também indica que possui capital para implantar rapidamente novas tecnologias em escala industrial se a inovação abrir novos mercados.

Fonte: Coherent

Por exemplo, o enorme mercado de armazenamento em escala de utilidade para energia renovável excedente…

Como a Universidade de Michigan tem “solicitado proteção de patente (…) e está buscando parceiros para levar a tecnologia ao mercado“, não seria surpreendente se uma empresa como a Coherent acabasse sendo a responsável por levar as novas células termofotovoltaicas ao mercado. Especialmente considerando sua expertise pré‑existente na produção industrial de termofotovoltaicos e materiais avançados semelhantes.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

The thermophotovoltaic cells used by the Michigan University researchers were made with InGaAsP (indium gallium arsenide phosphide)”.

“Então investigamos se traduzir a arquitetura de ponte aérea de absorvedores ternários para quaternários do grupo III‑V (InGaAsP com rede compatível a substratos de InP) pode melhorar a eficiência dentro da faixa alvo de temperaturas do emissor.”

Se essa tecnologia se tornar um formato padrão para armazenamento de energia em escala de utilidade, precisaremos de InGaAsP, e em grande quantidade.

Portanto, faria sentido neste cenário apostar na empresa que há 30 anos permanece como líder na produção de InGaAsP, o conglomerado japonês Sumitomo.

Por mais de 30 anos, a Divisão de Semicondutores da Sumitomo Electric manteve sua posição de liderança como a maior fabricante mundial de arseneto de gálio (GaAs) e fosfeto de índio (InP).

O nome Sumitomo tornou‑se sinônimo de qualidade em materiais III‑V. A Sumitomo Electric conquistou essa reputação ao fornecer a seus clientes globais substratos de qualidade superior que resultam em maiores rendimentos e dispositivos com características elétricas consistentes.

Sumitomo Compound Semiconductor – Sobre Nós

Sumitomo Electric Industries, e seu departamento de semicondutores compostos, é a filial do maior conglomerado Sumitomo, um dos maiores sōgō shōsha (companhias de comércio geral) do mundo.

Além do InGaAsP, a principal atividade da Sumitomo Electric Industries é produzir:

• Equipamentos de telecomunicações (fibra óptica, 5G)
• Fiação automotiva e cabos de alta potência
• Eletrônicos (circuitos impressos flexíveis, fios de dados, membranas de filtragem)
• Materiais de alta qualidade (carbeto, ferramentas de corte, fios de aço pré-tensionado).

Fonte: Sumitomo

A expertise na produção em massa de material de alta qualidade, a liderança na produção de InGaAsP e as conexões de negócios que vêm de fazer parte de um sōgō shōsha / companhia de comércio geral devem garantir que a Sumitomo Electric Industries será um dos principais beneficiários da adoção em massa de termofotovoltaicos.

O crescimento também deve ser positivo para telecomunicações (digitalização, IA) e produtos afins de veículos elétricos (cabos, fiação), que são setores em expansão.