Reaproveitamento de Energia Térmica: Controle de Clima Residencial, Estacionamentos e Computação

O mercado global de armazenamento de energia térmica pode alcançar US$8 bilhões em 2030, partindo de um tamanho de US$4.4 bilhões em 2022, o que representa uma Taxa de Crescimento Anual Composta (CAGR) de aproximadamente 7.7%. A demanda crescente por armazenamento indica um uso consistentemente crescente de energia térmica. 

Mas o que exatamente é energia térmica, e como a armazenamos? Vamos nos aprofundar nos próximos segmentos para chegar ao fundo dessas questões e ver como a energia térmica está criando paradigmas de uso energético eficientes para as necessidades do nosso mundo moderno. 

A Breve História da Energia Térmica

A história do reconhecimento da energia térmica e seu potencial remonta a 1847. O crédito vai para o mundialmente reverenciado físico e matemático inglês James Prescott Joule. 

Simplificando, Joule descobriu a relação entre calor e energia mecânica, chegando eventualmente à lei da conservação de energia, também conhecida como a primeira lei da termodinâmica. A lei afirma que a energia pode ser convertida de uma forma para outra, mas não pode ser criada ou destruída. 

Como o cientista Joule chegou a essa conclusão revolucionária foi um experimento empolgante que pode nos ajudar a compreender a natureza do que hoje conhecemos como energia térmica. 

Em seu experimento, Joule mediu a quantidade de trabalho que um motor elétrico deveria fazer para elevar a temperatura de um certo volume de água em um grau. Ele também mediu o aumento de temperatura da água ao passar por um cilindro perfurado e o calor gerado ao comprimir um gás. 

Durante sua pesquisa, ele constatou que a quantidade de energia mecânica aplicada ao fluido era sempre igual à energia térmica gerada, indicando que o reaproveitamento de energia é possível de uma forma para outra. 

Em termos mais amplos, o experimento disse muito sobre o nosso universo e seu sistema de energia. Ele mostrou, sobretudo, que a totalidade da energia no universo permanece constante, com uma forma de energia se convertendo em outra forma diferente. 

A descoberta de Joule deu origem a um fluxo completo de estudo conhecido como termodinâmica. Já vimos a primeira lei do paradigma. Ele tem mais três leis. Essas quatro leis básicas definem os contornos da termodinâmica que lida com calor, trabalho e temperatura e como suas interdinâmicas impactam as noções de energia, radiação e propriedades físicas da matéria. 

É crucial entender a termodinâmica se alguém quiser compreender plenamente o potencial da energia térmica e as maneiras como ela pode ajudar nossos processos. Em sua essência, a termodinâmica explica como a energia térmica se converte em outras formas e vice‑versa. A energia térmica provém do calor térmico produzido pelos movimentos de partículas dentro de um objeto. Quanto mais rápido o movimento, maior o calor gerado. 

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A Ciência por Trás da Geração de Energia Térmica: Condução, Convecção, Radiação

Partículas ou moléculas em movimento dão origem ao calor. Mas existem pelo menos três maneiras pelas quais esses movimentos podem gerar calor. 

No processo de condução, o calor é gerado a partir do movimento das partículas constituintes sem que o corpo se mova. Um exemplo da vida real de geração de calor por condução é o aumento de temperatura em uma colher de aço inoxidável quando ela é colocada dentro da panela de cozimento por algum tempo enquanto a panela ainda está sendo aquecida por baixo. 

O processo de convecção ocorre quando a transferência de energia acontece entre uma superfície sólida e um líquido ou gás em movimento. Aquecer água colocando-a dentro de uma panela e aplicando calor diretamente à panela é um exemplo do processo de convecção de transferência de energia. 

Finalmente, no processo de radiação, para que o calor ou energia térmica seja trocado, dois corpos ou substâncias não precisam estar em contato um com o outro. Um exemplo típico desse processo é derreter gelo mantendo uma lâmpada incandescente próxima a ele. Embora a lâmpada e o gelo nunca se toquem, o gelo derrete. 

Embora esses métodos por trás da geração de energia térmica não sejam visíveis a olho nu e só possam ser percebidos ao observar suas manifestações externas ou físicas, os exemplos de energia térmica são frequentemente fáceis de reconhecer à medida que interagimos com muitos deles. 

Por exemplo, a radiação solar aquece nossa atmosfera, e sentimos calor como resultado. Da mesma forma, há também energia geotérmica, que é calor intenso que flui continuamente para fora a partir de profundidades da Terra. O decaimento de elementos radioativos presentes nas rochas é o principal gerador desse tipo de calor. Depois há a superfície da água do mar, que tem um enorme potencial de armazenamento de energia térmica devido à exposição direta aos raios solares por um período prolongado. As células de combustível também ajudam a aproveitar a energia produzida a partir da energia térmica.

Reaproveitamento de Energia Térmica: Esforços ao Redor do Mundo

Por princípio, a energia converte de uma forma para outra. O reaproveitamento de energia está, portanto, alinhado com nossos princípios da ciência natural. É uma maneira eficiente de aproveitar o verdadeiro potencial da energia indo além de sua aplicação imediata. Veremos alguns exemplos de energia térmica reaproveitada. 

Energia Térmica Gerada em Estacionamentos Subterrâneos para Aquecer a Água Subterrânea

Uma equipe de pesquisadores da Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU), do Karlsruhe Institute of Technology e da University of Basel realizou um estudo aprofundado de 31 estacionamentos subterrâneos em cidades da Alemanha, Áustria e Suíça.

Em seis desses locais, eles também mediram a temperatura da água subterrânea próxima. A partir dos perfis de calor que prepararam, concluíram que os estacionamentos subterrâneos aquecem consistentemente a água subterrânea ao longo do ano. É importante notar que esse calor provém principalmente dos motores dos carros estacionados.

Maximilian Noethen, geocientista da MLU, explicou: “Estacionamentos subterrâneos públicos contribuem mais para o aquecimento da água subterrânea do que os privados, pois costumam ser mais profundos e os carros permanecem estacionados por períodos mais curtos.” 

Os pesquisadores também apontaram o potencial de reaproveitar essa energia térmica. Por exemplo, a produção anual de energia dos estacionamentos subterrâneos de Berlim, quase 0,65 petajoules, poderia teoricamente suprir calor para aproximadamente 14.660 residências.

Reaproveitamento do Calor de Dispositivos Eletrônicos

Este estudo veio dos físicos da Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) e da Central South University na China. O estudo propõe a viabilidade de usar o calor gerado em dispositivos técnicos para computação. Tudo o que se precisa é combinar materiais específicos. 

Dispositivos eletrônicos aquecem devido à corrente elétrica que passa por eles. Esse calor se dissipa e se perde no processo. Segundo o Dr. Jamal Berakdar, professor de Física na MLU, “Por décadas, as pessoas têm buscado maneiras de reutilizar essa energia perdida em eletrônicos.” 

O novo método para reaproveitar o calor propõe o uso de tiras magnéticas não condutoras em vez de circuitos eletrônicos convencionais, em conjunto com espaçadores metálicos normais. “Nossa tecnologia pode contribuir para economizar energia em tecnologia da informação ao fazer bom uso do calor excedente”, explica Berakdar. 

Baterias de Sal para Armazenar Calor

Esta peça de pesquisa é um desenvolvimento recente, pois a autora da tese, a doutoranda da Radboud University Lian Blijlevens, está prestes a defender sua pesquisa sobre a utilidade do sal para armazenamento de calor. O sal em questão não é o tipo de mesa comum, mas sim tipos como cloreto de estrôncio. 

O núcleo do estudo de Blijlevens é a bateria de sal, projetada para armazenar hidratos de sal e sais contendo água em forma cristalina. Recarregar essa bateria envolve aquecer o sal, o que expulsa a água dos cristais. 

“Quando você precisa do calor, adiciona vapor d’água aos cristais, e o calor é liberado novamente”, conclui Blijlevens. 

Com esses artigos de pesquisa exibindo um ambiente de inovação vibrante neste espaço, algumas soluções ajudam a reaproveitar energia térmica em escala empresarial. Discutimos alguns desses provedores de solução nos segmentos a seguir.

Provedores de Soluções de Reaproveitamento de Energia: Escala Empresarial

#1. Calefa

Calefa é uma fornecedora finlandesa de soluções turnkey para reciclagem de calor. Sua oferta inclui uma planta modular de bomba de calor AmbiHeat. Ela utiliza fontes de energia ambiente e sistemas de retrofit para reciclar calor residual. Como mencionamos bombas de calor como solução, seria pertinente explicar brevemente por que elas são consideradas uma opção principal para controle climático residencial. 

Bombas de calor são dispositivos de controle climático multifuncionais que transferem calor de um local para outro. Elas não geram calor, apenas o movem, provando ser uma escolha energeticamente eficiente para aquecer ou resfriar uma casa. No inverno, essas bombas extraem calor do exterior e o transferem para dentro. No verão, o processo se inverte. 

De acordo com dados publicados pela organização, Calefa, nos últimos dez anos, entregou quase 200 sistemas de energia que utilizam calor residual ou energia ambiente. Ela ajudou a economizar mais de US$34 milhões em termos monetários, quase 650.000 MWh de energia, e mais de 142 milhões de quilogramas de dióxido de carbono em emissões reduzidas. 

#2. Heata

Heata, uma startup inovadora baseada no Reino Unido, surgiu com a ideia de usar o calor gerado por computadores para oferecer água quente gratuita. A startup decolou como um projeto de inovação com a British Gas, para ajudar pessoas que vivem em falta de combustível ou pobreza energética. 

Eles examinaram o espaço de blockchain e descobriram as grandes quantidades de energia que os mineradores de Bitcoin estavam usando e os volumes igualmente grandes de calor residual que geravam no processo. Para reaproveitar esse calor, a equipe da Heata imergiu o minerador de Bitcoin em óleo mineral e o conectou a um radiador para testar a viabilidade da ideia. 

Uma vez que encontraram a ideia executável, instalaram cilindros de água quente onde a demanda é bastante constante ao longo do ano. Eles também migraram da mineração de Bitcoin para computação geral para apoiar os esforços de descarbonização nesta indústria. 

Fundada em 2017 e com sede em Godalming, Surrey, Reino Unido, Heata capacita empresas a reduzir suas pegadas de carbono e economiza até £450 por ano nas contas de energia das famílias. A startup fechou 1 milhão de libras em financiamento semente em outubro deste ano.

Reaproveitamento do Calor de Data Centers

O Fórum Econômico Mundial observou empresas de tecnologia que estão aproveitando seus data centers — onde hospedam seus servidores — para aquecer residências e reduzir dióxido de carbono. Várias iniciativas estão facilitando esse processo e, segundo a International Data Corporation, o mercado de aquecimento de data centers pode valer US$2.5 bilhões até 2025. 

Stockholm Data Parks é uma dessas iniciativas na Suécia que ajuda a aquecer casas aproveitando o calor residual gerado pelos data centers de Estocolmo. Ambiciosamente, a iniciativa planeja atender 10% de toda a demanda de aquecimento de Estocolmo dessa forma até 2035. Ecoando esse potencial em escala maior, o think tank Energy Innovation observa que os maiores data centers podem gerar mais de 100 megawatts de energia, o suficiente para alimentar 80.000 casas.

Switch Datacenters é outra empresa baseada nos Países Baixos que reduziu sua dependência de gás natural, substituindo unidades geradoras a gás pelo aquecimento de data centers. Segundo o CEO da empresa, é possível entregar até 97% do calor dos servidores para residências e escritórios através desse sistema. 

O Futuro: Gigante Tecnológico Global Microsoft Dando o Salto

A Microsoft (MSFT ) fez parceria com a Fortum, empresa finlandesa, para aquecer milhares de residências em Helsinque, e à medida que a colaboração se mostra frutífera, a Fortum espera que sua solução ajude a aquecer 40% das casas de Helsinque. 

Avançando em seu compromisso com a sustentabilidade, a Microsoft decidiu agora alimentar dois de seus novos data centers em Helsinque com energia renovável, decisão que deve reduzir as emissões anuais de dióxido de carbono em 400.000 toneladas.

Entretanto, essa iniciativa ambiental é apenas um aspecto da influência global da Microsoft. A empresa, reconhecida mundialmente, reportou US$211 bilhões em receita no ano fiscal de 2023 e um lucro operacional de mais de US$88 bilhões. O envolvimento da Microsoft em esforços de reaproveitamento de energia térmica não só destaca seus compromissos de sustentabilidade, mas também confere visibilidade e adaptabilidade significativas a essas iniciativas.

Agora, voltando novamente à primeira lei da termodinâmica. A energia é melhor aproveitada quando os esforços visam deslocá‑la de uma forma para outra. O reaproveitamento de energia térmica é um passo eficiente nessa direção. Não há razão para que não veja um crescimento significativo na adoção nos próximos anos.