Até agora tem sido um desafio armazenar a energia que geramos quando o sol está brilhando e o vento soprando. Mas pesquisadores de um laboratório em Trondheim, na Noruega, conseguiram fazer exatamente isso – e totalmente sem qualquer forma de tecnologia avançada de baterias.
Do lado de fora, parece um recipiente prateado com uma pequena janela redonda cortada na lateral e vários tubos que levam para dentro e para fora. O calor é primeiro atraído para o sistema e, depois de um tempo, é liberado novamente.

Este "contêiner" permite armazenar a energia térmica gerada em dias ensolarados e ventosos e liberá-la novamente quando o tempo esfriar. A tecnologia que impulsiona o sistema é baseada nos chamados "materiais de mudança de fase" (PCMs) em combinação com bombas de calor.

Na verdade, a fonte de energia pode ser qualquer coisa, desde eletricidade gerada por painéis solares, calor residual de um prédio de fábrica ou energia excedente de uma turbina eólica. Aqui, no laboratório ZEB (Zero Emission Building) operado pelo SINTEF e NTNU, a energia para armazenamento é proveniente dos painéis solares que cobrem a maior parte do telhado do edifício e da fachada virada a sul.

A água é o material de mudança de fase mais comum do mundo

Mas o que é um material de mudança de fase? Alexis Sevault é gerente de pesquisa da SINTEF Energy Research e tem o maior prazer em explicar.

De fato, a água é um material de mudança de fase em sua forma mais simples e familiar. Ele pode se transformar em cristais de gelo quando a temperatura cai abaixo de zero graus Celsius, tornar-se um líquido à medida que a temperatura aumenta e se transformar em vapor quando se aproxima de 100 graus. A água também tem a capacidade de se comportar de maneira diferente em suas diferentes fases e, mais importante, pode armazenar calor em sua forma líquida.

Os cientistas dão o nome de materiais que mudam de fase, ou PCMs, a materiais que se comportam de maneira diferente em suas diferentes fases e que também podem armazenar calor.

Existem muitos PCMs que podem armazenar calor quando em sua forma líquida. O que torna esses materiais interessantes e, não menos importantes, práticos nesse contexto é que seus pontos de fusão não são zero graus.

Ponto de fusão:37 graus Celsius

Essa propriedade permite que os PCMs sejam utilizados como os chamados "bancos de calor". Em outras palavras, como baterias. O grande recipiente prateado do laboratório ZEB contém um PCM que derrete à temperatura do corpo.

“O aparelho contém três toneladas de uma biocera líquida à base de um óleo vegetal que não pode ser usado como alimento”, diz Sevault. "Da mesma forma que a água se transforma em gelo, a cera se torna um material sólido e cristalino quando fica suficientemente fria. 'Fria' para esta cera em particular significa abaixo de 37 graus", diz ele, e acrescenta:

"Mas existem outros tipos de biocera que têm diferentes pontos de fusão, todos oferecendo oportunidades para muitas aplicações semelhantes."

Moléculas inteligentes

Se examinarmos detalhadamente a biocera, descobriremos que ela é composta de moléculas que se comportam de forma muito econômica em termos de calor.

Para economizar energia, as moléculas se organizam muito juntas quando a biocera está em sua fase sólida. Eles se aglomeram próximos uns dos outros e mantêm-se relativamente imóveis, não muito diferente de um bando de pinguins frios em um bloco de gelo.

À medida que o material derrete, as ligações que mantêm as moléculas unidas são afrouxadas e elas começam a se mover com o que chamamos de energia cinética. À medida que mais calor é fornecido de seus arredores, as moléculas ficam mais excitadas. Finalmente, eles são liberados de seus vínculos e podem vibrar livre e independentemente. Quando isso acontece, a biocera mudou de fase e se tornou um líquido.

E o contrário é verdadeiro. Quando a cera muda de um líquido para um sólido, as moléculas liberam uma grande parte de sua energia cinética para o ambiente. Eles param de vibrar e começam a se agrupar novamente para economizar energia. A cera então reverte para um sólido.

Baseado em bio e livre de manutenção

Este é o fenômeno que os pesquisadores estão explorando no recipiente de prata. A energia coletada pelos painéis solares externos do edifício é conduzida através de uma bomba de calor para a grande "bateria", e é aqui que as moléculas de biocera estão livres para dançar à vontade - cheias de sua energia líquida.

Quando chega a hora de extrair a energia, a água líquida recebe o papel de "portador prático de energia". Em primeiro lugar, a água fria é enviada através do sistema de armazenamento de calor. Após um curto período de tempo, a água agora aquecida é liberada do dispositivo e direcionada para os radiadores e o sistema de ventilação, fornecendo ar aquecido ao edifício.

Um sistema eficaz e funcional

Esta tecnologia já está em uso como parte do sistema de aquecimento do Laboratório ZEB há mais de um ano.

"O sistema de armazenamento de calor baseado em PCM está oferecendo exatamente o desempenho que esperávamos", diz Alexis Sevault. "Estamos utilizando o máximo possível da energia solar produzida pelo próprio edifício. Também estamos descobrindo que o sistema é muito adequado para o chamado 'pico de barbear'", diz ele.

“Ao carregar a bio-bateria antes das partes mais frias do dia, evitamos que o edifício consuma eletricidade valiosa da rede nos momentos em que o resto de Trondheim também está enfrentando uma grande demanda”, diz Sevault. "Isso nos oferece um nível de flexibilidade que também pode ser usado para explorar as flutuações no preço à vista. Podemos carregar nossa bateria quando temos acesso à energia do sol, do vento e do calor residual e extrair a produção quando o preço da eletricidade é alto ," ele explica.

Além disso, o primeiro ano de operação forneceu grandes volumes de dados que os pesquisadores agora usarão para otimizar tanto o projeto quanto a operação do sistema, de modo que o máximo de saída possível possa ser extraído.

Mais adequado para aplicações industriais

O sistema é, portanto, muito menos sofisticado do que uma bateria tradicional, mas não é adequado para todos os edifícios. Como uma nova tecnologia, os custos de investimento permanecem altos. A desvantagem é que esse sistema não funcionará para todos. Pelo menos não no momento.

"Este sistema será ideal para edifícios industriais e de escritórios e em bairros onde o calor pode ser distribuído", diz Sevault. "A melhor parte disso é que a tecnologia é praticamente livre de manutenção. Ela vai durar pelo menos 25 anos", diz ele.

Os pesquisadores também estão trabalhando para desenvolver sistemas de controle inteligentes com o objetivo de otimizar a produção. Isso permitirá que o sistema como um todo responda e seja regulado de acordo com as necessidades de seu entorno. Isso significa, na prática, que a forma como o sistema é explorado pode ser guiado por fatores como previsões meteorológicas e flutuações no preço da eletricidade. Esta pesquisa está sendo realizada pelo SINTEF em colaboração com a NTNU. Juntamente com muitas outras divisões de pesquisa dentro da NTNU e SINTEF, os pesquisadores estabeleceram um Centro Gemini chamado Armazenamento de Energia Térmica.

Uma cisão do SINTEF

Os pesquisadores que desenvolveram a "bio-bateria", ou sistema de armazenamento de calor PCM, como os especialistas o chamam, estão agora no processo de estabelecer uma empresa com o objetivo de comercializar a tecnologia. Isso está acontecendo em colaboração com a divisão interna de suporte inicial da SINTEF, SINTEF TTO.

“Prevemos que, após vários meses de testes no laboratório ZEB, possamos iniciar com segurança o conceito em sua jornada para a comercialização”, diz Sevault. “Também estabelecemos contato com muitos usuários finais interessados ​​em ter um sistema piloto instalado em 2023 ou 2024. Muitos deles são empresas industriais que têm recursos para ampliar o conceito”, diz ele. + Explorar mais

Entendendo os materiais de mudança de fase para armazenamento de energia térmica