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Nova solução de armazenamento de energia usa composto eletroquímico semissólido

Fonte

MIT | Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Data

quarta-feira, 1 dezembro 2021 07:00

Áreas

Energia. Química. Sustentabilidade.

Baterias feitas de uma mistura eletricamente condutora com a consistência de melaço poderiam ajudar a resolver uma peça crítica do quebra-cabeça da descarbonização. Uma equipe interdisciplinar do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, descobriu que uma tecnologia eletroquímica chamada bateria de fluxo semissólido pode ser uma forma de armazenamento de energia com custo competitivo e backup para fontes de energia renovável variável (VRE), como eólica e solar. A pesquisa do grupo está descrita em artigo publicado na revista científica Joule.

“A transição para energia limpa requer sistemas de armazenamento de energia de diferentes durações para quando o sol não está brilhando e o vento não está soprando”, disse o Dr. Emre Gençer, cientista da Iniciativa de Energia do MIT (MITEI) e membro do equipe. “Nosso trabalho demonstra que uma bateria de fluxo semissólido pode ser uma opção econômica e ‘salvadora’ quando essas fontes de VRE não podem gerar energia por um dia ou mais – no caso de desastres naturais, por exemplo”, explicou o pesquisador.

A bateria recarregável de zinco-manganês (Zn-MnO2) que os pesquisadores criaram venceu outros contendores de armazenamento de energia de longa duração. “Realizamos uma análise abrangente de baixo para cima para entender como a composição da bateria afeta o desempenho e o custo, olhando para todas as compensações. Mostramos que nosso sistema pode ser mais barato do que outros e pode ser ampliado.”, disse o doutorando Thaneer Malai Narayanan, do MIT.

Em 2016, Narayanan iniciou seus estudos de pós-graduação, ingressando no Laboratório de Energia Eletroquímica, um centro de pesquisa e exploração de soluções para mitigar as mudanças climáticas, que é centrado em química inovadora de baterias e descarbonização de combustíveis e produtos químicos. Uma oportunidade empolgante para o laboratório: desenvolver sistemas de energia de reserva de baixo (ou sem) carbono adequados para as necessidades em escala da rede quando a geração de VRE for interrompida.

Enquanto o laboratório lançava uma ampla rede, investigando a conversão e armazenamento de energia usando células de combustível de óxido sólido, baterias de íon-lítio e baterias de metal-ar, entre outras, Narayanan teve um interesse particular em baterias de fluxo. Nestes sistemas, duas soluções químicas diferentes (eletrólitos) com íons negativos ou positivos são bombeadas de tanques separados, encontrando-se através de uma membrana (chamada pilha). Aqui, os fluxos de íons reagem, convertendo energia elétrica em energia química – na verdade, carregando a bateria. Quando há demanda por essa energia armazenada, a solução é bombeada de volta para a pilha para converter a energia química em energia elétrica novamente.

A duração de tempo que as baterias de fluxo podem descarregar, liberando a eletricidade armazenada, é determinada pelo volume de soluções eletrolíticas carregadas positiva e negativamente fluindo através da pilha. Em teoria, enquanto essas soluções continuarem fluindo, reagindo e convertendo a energia química em energia elétrica, os sistemas de bateria podem fornecer eletricidade.

“Para backup com duração de mais de um dia, a arquitetura das baterias de fluxo sugere que elas podem ser uma opção barata. Você recarrega a solução nos tanques a partir de fontes de energia solar e eólica”, disse Narayanan. Isso torna todo o sistema livre de carbono.

Mas, embora a promessa de tecnologias de bateria de fluxo tenha sido estudada por pelo menos uma década, o desempenho irregular e os gastos com materiais necessários para esses sistemas de bateria retardaram sua implementação. Assim, Narayanan partiu em uma jornada ambiciosa: projetar e construir uma bateria de fluxo que pudesse fazer backup de sistemas VRE por um dia ou mais, armazenando e descarregando energia com a mesma ou maior eficiência do que seus concorrentes de backup; e determinar, por meio de uma análise de custo rigorosa, se tal sistema poderia ser economicamente viável como uma opção de energia de longa duração.

Em sua rodada final de estudos, o Dr. Gençer e Narayanan compararam a bateria Zn-MnO2 a um conjunto equivalente de bateria eletroquímica e sistemas de backup de hidrogênio, observando os custos de capital para operá-los em durações de oito, 24 e 72 horas. Suas descobertas os surpreenderam: para descargas de bateria por mais de um dia, sua bateria de fluxo semissólido superou as baterias de íon de lítio e as baterias de fluxo redox de vanádio. Isso aconteceu mesmo levando em consideração as pesadas despesas de bombeamento da pasta de MnO2 do tanque para a pilha. “Eu estava cético e não esperava que essa bateria fosse competitiva, mas depois que fiz o cálculo do custo, foi plausível”, disse o Dr. Emre Gençer.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do MIT (em inglês).

Fonte: Leda Zimmerman, MIT Energy Initiative. Imagem: Thaneer Malai Narayanan, MIT.