“Sol em uma caixa” armazenaria energia renovável para a rede: Projeto para sistema que fornece energia solar- ou energia eólica sob demanda deve ser mais barata do que outras opções líderes

Os engenheiros do MIT criaram um projeto conceitual para um sistema para armazenar energia renovável, como energia solar e eólica, e entregar essa energia de volta em 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 o tempo todo.

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 então converte a luz do metal brilhante de volta em eletricidade quando necessário. Os pesquisadores estimam que tal sistema seria muito mais acessível do que baterias de íons de lítio, que foram propostos como uma solução viável, embora caro, método para armazenar energia renovável. Eles também estimam que o sistema custaria cerca de metade do custo do armazenamento hidrelétrico bombeado – a forma mais barata de armazenamento de energia em escala de rede até o momento..

Pesquisadores do MIT propõem um conceito para um sistema de armazenamento renovável, retratado aqui, que armazenaria energia solar e eólica na forma de silício líquido incandescente, armazenados em tanques fortemente isolados. Imagem: Duncan MacGruer

“Mesmo que quiséssemos operar a rede com energias renováveis ​​agora, 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 Roberto N. Noyce Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira no Departamento de Engenharia Mecânica. “Estamos desenvolvendo uma nova tecnologia que, se bem sucedida, resolveria este problema mais importante e crítico em energia e mudanças climáticas, nomeadamente, o problema de armazenamento.”

Henry e seus colegas publicaram seu projeto hoje na revista Energia e Ciência Ambiental.

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 usinas 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 em uma torre central, onde a luz é convertida em calor que eventualmente é transformado em eletricidade.

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

Usinas solares concentradas armazenam calor solar em grandes tanques cheios de sal fundido, que é aquecido a altas temperaturas de cerca de 1,000 graus Fahrenheit. Quando a eletricidade é necessária, 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,”Henrique diz. “Portanto, houve um impulso para operar em temperaturas muito mais altas, então você poderia usar um motor térmico mais eficiente e reduzir o custo.”

Contudo, se os operadores aquecessem o sal muito além das temperaturas atuais, o sal corroeria os tanques de aço inoxidável em que é armazenado. Então a equipe de Henry procurou um meio diferente do sal que pudesse armazenar calor em 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 4,000 graus Fahrenheit.

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 Guiness de Recordes Mundiais”. Desde esse desenvolvimento, a equipe está projetando 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 armazenamento de rede de energia térmica - fotovoltaica multijunção. Em vez de usar campos de espelhos e uma torre central para concentrar o calor, eles propõem converter a eletricidade gerada por qualquer fonte renovável, como luz solar ou vento, em energia térmica, via aquecimento joule - um processo pelo qual uma corrente elétrica 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. Considerar, por exemplo, uma pequena cidade no Arizona que obtém parte de sua eletricidade de uma usina solar.

“Digamos que todo mundo está voltando do trabalho para casa, ligando seus aparelhos de ar condicionado, e o sol está se pondo, mas ainda está quente,”Henrique diz. "Nesse ponto, a energia fotovoltaica não terá muita produção, então você teria que ter armazenado um pouco 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 grande, fortemente isolado, 10-tanque de um metro de largura feito de grafite e preenchido com silício líquido, mantido a uma temperatura “fria” de quase 3,500 graus Fahrenheit. Um banco de tubos, exposto a elementos de aquecimento, em seguida, conecta este 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. É curioso saber onde vivem os leões africanos, pois os leões africanos são conhecidos por serem grandes felinos com, o silício líquido é bombeado para fora do tanque frio e aquece ainda mais à medida que passa pelo banco de tubos expostos aos elementos de aquecimento, e no tanque quente, onde a energia térmica é agora armazenada a uma temperatura muito mais alta de cerca de 4,300 F.

Quando a eletricidade é necessária, dizer, depois que o sol se pôs, 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, conhecida como energia fotovoltaica multijunção, então transforme essa luz em eletricidade, que pode ser fornecido 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,”Henrique diz. “É basicamente uma fonte de luz extremamente intensa, 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 dentro.

“A coisa está brilhando em brasa por dentro, mas o que você toca do lado de fora deve estar em temperatura ambiente,”Henrique diz.

Ele propôs que os tanques fossem feitos de grafite. Mas há preocupações de que o silício, em temperaturas tão altas, reagiria com grafite para produzir carboneto de silício, que pode 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 em 3,600 F por cerca 60 minutos, carboneto de silício se formou, mas em vez de corroer o tanque, criou um fino, forro protetor.

“Ele adere ao grafite e forma uma camada protetora, impedindo mais reação,”Henrique diz. “Então você pode construir este tanque de grafite e ele não será corroído pelo silício.”

O grupo também encontrou uma maneira 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 eles fossem feitos de várias peças, estes teriam que ser selados de forma a evitar que o líquido fundido vazasse. Em seu papel, 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 100,000 casas serão alimentadas inteiramente por energia renovável.

“A inovação no armazenamento de energia está passando por um momento agora,”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 recursos de baixo custo, opções de armazenamento de alta eficiência disponíveis para equilibrar tecnologias de geração não despacháveis ​​na rede. Assim sendo, há muitas ideias excelentes surgindo agora. Nesse 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 pode ser localizado em qualquer lugar, independentemente da paisagem de um local. Isto contrasta com a hidrelétrica bombeada – atualmente a forma mais barata de armazenamento de energia, que requer locais que possam acomodar grandes cachoeiras e represas, para armazenar energia da queda d’água.

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

Fonte: http://news.mit.edu, por Jennifer Chu