Energia
Mais Energia, Menos Dióxido de Carbono – A Abordagem Multifacetada da Nova Tecnologia de Baterias para a Sustentabilidade
Battery Or Carbon Capture? Why Not Both?
O impulso por energia verde e eletrificação é motivado principalmente pela necessidade de reduzir as emissões de carbono no contexto das mudanças climáticas. No entanto, a energia solar e eólica são inerentemente intermitentes.
Portanto, quanto mais energia verde alimenta a rede, mais baterias de escala utilitária são necessárias para armazenar energia durante a produção máxima e redistribuí‑la à rede posteriormente. As baterias de escala utilitária provavelmente usarão químicas muito diferentes das dos veículos elétricos, pois não operam sob as mesmas restrições:
- Não há necessidade de alta densidade ou leveza; baterias utilitárias podem ser armazenadas no solo em usinas ou locais dedicados.
- Sensibilidade extrema ao custo total (construção + operação).
- Necessidade de usar materiais baratos e abundantes para implantação em escala, dispensando metais como cobalto, platina, paládio, etc., (ou idealmente até mesmo lítio).
- Necessidade de uma vida útil muito longa sem degradação de capacidade, idealmente na faixa de várias décadas.
É algo que exploramos anteriormente em profundidade em nosso artigo “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”, onde listamos a maioria das químicas possíveis em desenvolvimento para esta aplicação.
Todas essas baterias operam para tornar a energia verde mais economicamente viável e amplamente adotada, o que reduziria as emissões de carbono. No entanto, nenhuma contribui diretamente para a redução de emissões ou captura de carbono.
Mesmo as chamadas baterias de CO2 reemitiriam o CO2 quando a eletricidade fosse descarregada.
Isso pode mudar, graças a um design inovador de bateria, que pode não apenas armazenar energia, mas também produzir hidrogênio e capturar carbono de forma duradoura.
Carbon-Capture Batteries
Captura de carbono é a ideia de pegar o CO2 normalmente emitido e transformá‑lo em produtos úteis. Você pode ler mais sobre as diversas tecnologias de captura de carbono neste artigo da Energy Tracker.
Fonte: EnergyTracker
Até agora, esse processo era algo a ser acrescentado aos processos industriais e representava um custo extra sem um produto prático, apenas a captura de carbono. O próprio processo não era útil.
Discutimos o estado atual da captura de carbono com mais detalhes em nosso artigo “Top 5 Carbon Capture Stocks To Invest In”.
Pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory podem ter encontrado uma maneira de tornar a captura de carbono parte integrante da rede de energia verde e das baterias associadas. Eles publicaram suas descobertas no Journal of Power Sources, sob o título “Origin of deactivation of aqueous Na–CO2 battery and mitigation for long-duration energy storage“.
Previous Concept Upgraded
A bateria de captura de carbono é uma atualização da bateria convencional metal‑CO2 que cicla CO2 entrando e saindo enquanto oxida um metal (M), que pode ser sódio (Na), lítio (Li) ou magnésio (Mg): CO2 ↔ MxCO3.
Um problema recorrente das baterias metal‑CO2 é a deposição de produtos sólidos de descarga, como M2CO3(s) (M = Li ou Na), Al2(C2O4)3(s) ou MgCO3(s) na superfície do eletrodo, o que frequentemente leva ao entupimento da estrutura porosa do eletrodo.
Esse entupimento afeta negativamente a bateria, reduzindo rapidamente sua capacidade.
Para superar esse problema, os pesquisadores desenvolveram duas baterias potenciais, uma baseada em sódio e a outra em alumínio, ambos materiais abundantes e de baixo custo.
A bateria Na‑CO2 baseia‑se em um catalisador ferro‑níquel, que é muito mais barato que a maioria dos catalisadores da indústria.
Ao contrário dos projetos anteriores, a nova bateria de CO2 não libera CO2 em forma gasosa, mas sim, o subproduto carbonato se dissolve no eletrólito líquido.
Esses carbonatos podem então ser mantidos na bateria ou coletados quando se acumulam e precipitam em forma sólida. As indústrias farmacêutica ou de cimento podem então utilizá‑los.
Os únicos gases liberados são oxigênio e hidrogênio, que não contribuem para a mudança climática e podem até ser capturados para produzir energia ou combustível.
Overcoming Engineering Challenges
Essa ideia parece tão impressionante que pode ser surpreendente que ainda não tenha sido realizada.
A razão é que torná‑la prática exigiu superar alguns problemas técnicos.
Primeiro, os eletrodos devem ser separados em câmaras úmidas e secas com um condutor iônico sólido entre eles. O condutor desacelerou o movimento dos elétrons, reduzindo a eficiência da bateria.
Em segundo lugar, esse tipo de bateria Na‑CO2 não é imune ao problema de depósito de filme no eletrodo, comum em baterias de CO2. Contudo, os pesquisadores descobriram, usando microscópios muito avançados e máquinas de raios‑X, que pulsos de carga e descarga irregulares impediram o acúmulo de filme no eletrodo.
“Estamos reportando pela primeira vez que a célula desativada pode ser reativada.
E descobrimos a origem da desativação e ativação. Se você carregar‑descarregar a bateria de forma simétrica por muito tempo, ela morre em um estágio. Se você usar o protocolo que estabelecemos para nossa célula, a chance de falha é muito pequena.
Ruhul Amin – o pesquisador principal do projeto
Talvez ainda mais impressionante, essas baterias podem capturar o CO2 usando a energia armazenada, não apenas quando a produção de energia renovável está em pico, proporcionando mais flexibilidade. Isso também poderia torná‑las uma combinação perfeita para capturar carbono de usinas de pico que dependem de combustíveis fósseis para gerar energia quando o vento está fraco ou o sol não brilha.
Moving To Commercial Design
Com a prova de conceito de uma bateria de CO2 que poderia ser reativada, a equipe avançou para melhorar o desempenho a fim de atender aos requisitos de uma bateria de escala utilitária viável.
Para isso, eles desenvolveram uma bateria Al‑CO2 baseada no mesmo princípio do protótipo Na‑CO2.
O protótipo alcançou resultados notáveis, principalmente:
- 600 horas (25 dias) de operação sem perda de capacidade.
- Armazenamento suficiente para mais de 10 horas de eletricidade a ser usada posteriormente.
What’s Next?
Usar água do mar como meio aquoso pode melhorar significativamente a velocidade da bateria e a produção de hidrogênio+oxigênio ao criar alvejante a partir dos átomos de cloro na água. Portanto, esta bateria pode funcionar com ainda mais subprodutos úteis do que o inicialmente esperado.
Outro desafio será levar o design da bateria alumínio‑CO2 a uma escala maior adequada para uma implantação real em escala utilitária.
Outro trabalho em andamento é retornar à bateria Sódio‑CO2 e desenvolver uma membrana cerâmica muito fina, densa e mecanicamente estável para separar as câmaras da bateria, tornando-a comercialmente competitiva.
Batteries Companies
Devido às suas limitações anteriores, há poucas empresas de baterias de CO2. No entanto, empresas inovadoras de baterias com histórico de rápida adoção de novas tecnologias poderão aproveitar os avanços no campo para desenvolver novas químicas, se necessário.
1. BYD Company Limited (BYDDF)
A BYD é a principal empresa de veículos elétricos na China, com 1.860.000 veículos vendidos em 2022, €20 bi em receitas em 2022, e uma das maiores empresas privadas do país.
A empresa começou como o primeiro fornecedor de baterias de íon‑lítio para a Motorola em 2000 e entrou no negócio automotivo já em 2003. Hoje, também atua em ônibus, trens, semicondutores e armazenamento de energia em baterias.
Fonte: Byd Company
Graças ao seu tamanho, “BYD Surpassed LG to Become the World’s Second-Largest EV Battery Supplier”
Além do mercado de EVs, a BYD, como a Tesla, busca utilizar seu enorme suprimento de baterias para outros mercados. Ela lançou notavelmente a Battery-Box para uso residencial, usando química de fosfato de ferro‑lítio sem cobalto. Também oferece seu pacote New Energy, combinando soluções solares e de armazenamento.
Unindo Battery-Box e New Energy, BYD Energy Storage System (ESS) has shipped more than 14 GWh of storage capacity.
A BYD possui a cadeia de suprimentos completa, desde células minerais de bateria até pacotes de baterias. Isso ajudou a estabelecer sua própria solução proprietária de reciclagem, usando baterias de carro antigas como armazenamento fixo ou reciclagem completa de baterias por meio de uma nova subdivision in 2022.
A BYD está agora expandindo internacionalmente, especialmente na Europa, com planos de quadruplicar sua ainda pequena participação de mercado, bem como produção local na Hungria, com uma capacidade de 150.000 veículos por ano que poderia ser dobrada para 300.000. This could pressure local manufacturers and Tesla, with a price tag now in the range of fuel-powered cars.
A expansão nos EUA é mais cautelosa, pois a rivalidade EUA‑China continua a escalar, com uma tarifa de 100 % imposta aos carros chineses na primavera de 2024.
Fonte: BYD
Com fortes perspectivas de crescimento na América do Sul, Ásia e Europa, bem como posição dominante na China, o principal mercado de EVs, a ação da BYD é a alternativa menos conhecida e com múltiplos de avaliação mais baixos em relação à Tesla.
2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)
A chinesa CATL é de longe a maior empresa de baterias do mundo se julgada pelo volume de baterias. Ela produziu em 2022 quase metade das baterias mundiais em GWh.
Ela também possui algumas das baterias de fosfato de ferro‑lítio mais avançadas, que podem ser uma solução para criar baterias mais baratas e “suficientemente densas” para EVs de baixo custo.
A expertise da CATL em química de baterias também se estende a outras opções. Notavelmente, the impressive 160 Wh/kg Sodium-ion battery was announced in 2021. Substituir o lítio por sódio abundante e barato oferece uma alternativa ao lítio, cujo preço tem sido muito volátil e alto nos últimos anos. E para aplicações que ainda exigem lítio, CATL is also investing $1.4B to develop lithium production in Bolivia.
Mas quando se trata de desempenho de baterias, a CATL está na vanguarda do progresso. Primeiro, anunciou a 330 Wh/ kg ultra-durable “million miles” battery que carrega até 80 % em 5 minutos e está pronta para comercialização. Esta bateria deverá ser usada pela Tesla no futuro e será o novo padrão para EVs de alto desempenho.
Ela também anunciou recentemente uma bateria “condensada” recorde de 500 Wh/kg, que seria densa o suficiente para alimentar EVs de longo alcance e aviões. It also claims to have found a way to make batteries handle cold weather better, but this is still a weakness of the technology and a problem for EVs in cold countries.
Líderes em EVs como Tesla e BYD, ou novas entradas ambiciosas como Toyota, podem buscar desenvolver sua própria tecnologia de bateria como vantagem única. Mas o resto da indústria automotiva, incluindo fabricantes alemães, americanos e japoneses, está procurando parceiros para acompanhar a corrida por baterias avançadas. Isso inclui notavelmente Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda, e Mercedes Benz.
A CATL tem o volume de produção para se beneficiar ao máximo das economias de escala na fabricação de baterias. Seu grande volume de vendas também alimenta diretamente a expertise científica e um grande orçamento de P&D, permitindo mais avanços. Por não ser uma montadora, também é um parceiro melhor para a maior parte da indústria do que seus concorrentes diretos como BYD e Tesla.
Por enquanto, a empresa tem se concentrado principalmente em EVs. Pode virar‑se para baterias de escala utilitária à medida que a produção de energia renovável da China cresce e a tecnologia amadurece.
No conjunto, isso constitui um argumento convincente para que a CATL continue sendo a líder mundial em produção de baterias. Contudo, as crescentes tensões entre os EUA e a China não devem ser totalmente esquecidas, e sua ação pode ficar presa no meio da luta de poder entre as duas maiores economias do mundo.
