“Sun in a box” armazena energia renovável e a entrega sob demanda

MIT engenheiros criaram um projeto conceitual para um sistema para armazenar energia renovável, como energia solar e eólica, e entregar essa energia de volta a uma rede elétrica sob demanda. O sistema pode ser projetado para fornecer energia a uma cidade pequena, não apenas quando o sol está alto ou o vento está forte, mas 24 horas por dia.

O novo design armazena o calor gerado pelo excesso de eletricidade proveniente da energia solar ou eólica em grandes tanques de silício fundido incandescente e, em seguida, converte a luz do metal brilhante de volta em eletricidade quando necessário. Os investigadores estimam que tal sistema seria muito mais acessível do que as baterias de iões de lítio, que foram propostas como um método viável, embora caro, para armazenar energia renovável. Eles também estimam que o sistema custaria cerca de metade do custo do armazenamento hidroeléctrico bombeado – a forma mais barata de armazenamento de energia à escala da rede até à data.

“Mesmo que quiséssemos operar a rede com energias renováveis ​​neste momento, não poderíamos, porque seriam necessárias turbinas movidas a combustíveis fósseis para compensar o facto de o fornecimento renovável não poder ser despachado a pedido”, diz Asegun Henry, o Robert N. Noyce Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira no Departamento de Engenharia Mecânica. “Estamos a desenvolver uma nova tecnologia que, se for bem-sucedida, resolverá este problema mais importante e crítico em matéria de energia e alterações climáticas, nomeadamente, o problema do armazenamento.”

Henry e seus colegas publicaram seu projeto hoje na revista Energy and Environmental Science.

Gravar temperaturas

O novo sistema de armazenamento decorre de um projeto em que os pesquisadores buscaram formas de aumentar a eficiência de uma forma de energia renovável conhecida como energia solar concentrada. Ao contrário das centrais solares convencionais que utilizam painéis solares para converter luz diretamente em eletricidade, a energia solar concentrada requer vastos campos de enormes espelhos que concentram a luz solar numa torre central, onde a luz é convertida em calor que eventualmente é transformado em eletricidade.

“A razão pela qual a tecnologia é interessante é que, depois de realizar esse processo de focar a luz para obter calor, você pode armazenar calor de maneira muito mais barata do que armazenar eletricidade”, observa Henry.

As usinas solares concentradas armazenam o calor solar em grandes tanques cheios de sal fundido, que é aquecido a altas temperaturas de cerca de 1.000 graus. Fahrenheit (540 graus Celsius). Quando é necessária eletricidade, o sal quente é bombeado através de um trocador de calor, que transfere o calor do sal em vapor. Uma turbina então transforma esse vapor em eletricidade.

“Esta tecnologia já existe há algum tempo, mas pensa-se que o seu custo nunca será suficientemente baixo para competir com o gás natural”, diz Henry. “Portanto, houve um impulso para operar em temperaturas muito mais altas, para que você pudesse usar um motor térmico mais eficiente e reduzir os custos.”

No entanto, se os operadores aquecessem o sal muito além das temperaturas atuais, o sal corroeria os tanques de aço inoxidável onde está armazenado. Então a equipe de Henry procurou um meio diferente do sal que pudesse armazenar calor a temperaturas muito mais altas. Eles inicialmente propuseram um metal líquido e eventualmente optaram pelo silício – o metal mais abundante na Terra, que pode suportar temperaturas incrivelmente altas de mais de 2.200 graus Celsius (4.000 graus Fahrenheit).

No ano passado, a equipe desenvolveu uma bomba que poderia suportar esse calor escaldante e poderia bombear silício líquido através de um sistema de armazenamento renovável. A bomba tem a maior tolerância ao calor já registrada – um feito mencionado no “Livro Guinness de Recordes Mundiais”. Desde esse desenvolvimento, a equipe tem projetado um sistema de armazenamento de energia que poderia incorporar uma bomba de alta temperatura.

“Sol em uma caixa”

Agora, os pesquisadores delinearam seu conceito para um novo sistema de armazenamento de energia renovável, que eles chamam de TEGS-MPV, para Thermal Energy Grid Storage-Multi-Junction Photovoltaics. Em vez de utilizar campos de espelhos e uma torre central para concentrar o calor, propõem a conversão da electricidade gerada por qualquer fonte renovável, como a luz solar ou o vento, em energia térmica, através do aquecimento joule – um processo pelo qual uma corrente eléctrica passa através de um elemento de aquecimento. .

O sistema poderia ser combinado com sistemas de energia renovável existentes, como células solares, para capturar o excesso de eletricidade durante o dia e armazená-lo para uso posterior. Consideremos, por exemplo, uma pequena cidade no Arizona que obtém uma parte da sua electricidade a partir de uma central solar.

“Digamos que todo mundo está voltando do trabalho para casa, ligando o ar condicionado e o sol está se pondo, mas ainda está quente”, diz Henry. “Nesse ponto, a energia fotovoltaica não terá muita produção, então você teria que ter armazenado parte da energia do início do dia, como quando o sol estava ao meio-dia. Esse excesso de eletricidade poderia ser direcionado para o sistema de armazenamento que inventamos aqui.”

O sistema consistiria em um tanque grande e fortemente isolado, de 10 metros de largura (33 pés de largura), feito de grafite e preenchido com silício líquido, mantido a uma temperatura “fria” de quase 3.500 graus Fahrenheit (1.900 graus Celsius). . Um banco de tubos, exposto a elementos de aquecimento, conecta esse tanque frio a um segundo tanque “quente”. Quando a eletricidade das células solares da cidade entra no sistema, esta energia é convertida em calor nos elementos de aquecimento. Enquanto isso, o silício líquido é bombeado para fora do tanque frio e aquece ainda mais à medida que passa através do banco de tubos expostos aos elementos de aquecimento e para o tanque quente, onde a energia térmica é agora armazenada a uma temperatura muito mais alta, de cerca de 4.300 F (2.400 C).

Quando a eletricidade é necessária, digamos, após o pôr do sol, o silício líquido quente – tão quente que brilha em branco – é bombeado através de uma série de tubos que emitem essa luz. Células solares especializadas, conhecidas como fotovoltaicas multijunções, transformam então essa luz em eletricidade, que pode ser fornecida à rede da cidade. O silício agora resfriado pode ser bombeado de volta para o tanque frio até a próxima rodada de armazenamento – agindo efetivamente como uma grande bateria recarregável.

“Um dos nomes carinhosos que as pessoas começaram a chamar ao nosso conceito é 'sol em uma caixa', que foi cunhado por minha colega Shannon Yee, da Georgia Tech”, diz Henry. “É basicamente uma fonte de luz extremamente intensa, toda contida em uma caixa que retém o calor.”

Uma chave de armazenamento

Henry diz que o sistema exigiria tanques grossos e fortes o suficiente para isolar o líquido derretido em seu interior.

“A coisa está brilhando por dentro, mas o que você toca por fora deve estar em temperatura ambiente”, diz Henry.

Ele propôs que os tanques fossem feitos de grafite. Mas há preocupações de que o silício, a temperaturas tão altas, reaja com o grafite para produzir carboneto de silício, o que poderia corroer o tanque.

Para testar esta possibilidade, a equipe fabricou um tanque de grafite em miniatura e o encheu com silício líquido. Quando o líquido foi mantido a 3.600 F (2.000 C) por cerca de 60 minutos, o carboneto de silício se formou, mas em vez de corroer o tanque, criou um revestimento protetor fino.

“Ele adere ao grafite e forma uma camada protetora, evitando reações futuras”, diz Henry. “Então você pode construir este tanque de grafite e ele não será corroído pelo silício.”

O grupo também encontrou uma forma de contornar outro desafio: como os tanques do sistema teriam que ser muito grandes, seria impossível construí-los a partir de uma única peça de grafite. Se, em vez disso, fossem feitos de várias peças, estas teriam que ser seladas de forma a evitar que o líquido derretido vazasse. Em seu artigo, os pesquisadores demonstraram que poderiam evitar vazamentos aparafusando pedaços de grafite com parafusos de fibra de carbono e selando-os com grafoil – grafite flexível que atua como selante de alta temperatura.

Os pesquisadores estimam que um único sistema de armazenamento poderia permitir que uma pequena cidade com cerca de 100 mil residências fosse alimentada inteiramente por energia renovável.

“A inovação no armazenamento de energia está passando por um momento”, diz Addison Stark, diretor associado de inovação energética do Centro de Política Bipartidária e diretor de equipe do Conselho Americano de Inovação Energética. “Os tecnólogos de energia reconhecem a necessidade de ter opções de armazenamento de baixo custo e alta eficiência disponíveis para equilibrar as tecnologias de geração não despacháveis ​​na rede. Como tal, há muitas ideias excelentes surgindo agora. Neste caso, o desenvolvimento de um bloco de energia de estado sólido juntamente com temperaturas de armazenamento incrivelmente altas ultrapassa os limites do que é possível.”

Henry enfatiza que o design do sistema é geograficamente ilimitado, o que significa que ele pode ser instalado em qualquer lugar, independentemente da paisagem do local. Isto contrasta com a hidroeléctrica bombeada – actualmente a forma mais barata de armazenamento de energia, que requer locais que possam acomodar grandes quedas de água e barragens, a fim de armazenar a energia da queda de água.

“Isso é geograficamente ilimitado e é mais barato do que a hidrelétrica bombeada, o que é muito emocionante”, diz Henry. “Em teoria, este é o eixo para permitir que a energia renovável abasteça toda a rede.”

Referência: “Armazenamento de rede de energia térmica usando fotovoltaica multijunção” por Caleb Amy, Hamid Reza Seyf, Myles A. Steiner, Daniel J. Friedman e Asegun Henry, 19 de novembro de 2018, Energia e Ciência Ambiental.
DOI: 10.1039/C8EE02341G