O que são baterias de areia? Tudo o que você precisa saber

Notícias sobre uma bateria de areia da Finlândia recentemente foram manchetes, embora esse sistema apenas armazenasse e liberasse calor.

O armazenamento de calor térmico não é uma tecnologia nova, mas este projeto piloto projeto destaca algumas das possibilidades futuras de tecnologias e sistemas de energia verde.

Este post analisa a tecnologia em torno da areia para armazenamento de energia, bem como tecnologias semelhantes e o que elas significam para o mundo.

Energia da areia?

A areia natural possui muitas qualidades que a tornam um meio ideal para armazenamento de energia térmica. Você pode aquecê-lo a temperaturas acima de 1,000°C (1,832°F) sem problemas e ele pode manter esse calor por dias, semanas e até meses com perda mínima.

Se você considerar que uma bateria é um meio de armazenar energia que foi produzida em um determinado momento, para que possa ser usada em um momento diferente, então a areia que é aquecida com energia elétrica para armazenamento e uso posterior é uma bateria.

A bateria de areia viral da Finlândia

No distrito finlandês ocidental de Kankaanpää encontra-se um sistema de energia de armazenamento de calor patenteado desenvolvido pela Noite Polar. Ele usa energia elétrica excedente de fontes renováveis ​​para aquecer areia em um silo de 7 metros de altura e 4 metros de largura até 600°C (1,112°F) para armazenamento e posterior utilização na rede de aquecimento urbano.

Algumas coisas são importantes para se ter em mente aqui. Em primeiro lugar, a energia utilizada é a geração excedente de fontes renováveis, como eólica e solar. Isso remove quaisquer comparações objetivas com outros sistemas de armazenamento de energia para fins comerciais.

Em segundo lugar, o sistema é usado apenas para armazenamento e entrega térmica – ou seja, a energia elétrica é convertida em calor e armazenada na areia. Então, quando necessário, o calor é extraído e distribuído para residências e fábricas onde é necessário.

Em terceiro lugar, a areia natural pode conter uma quantidade impressionante de energia. Por exemplo, esta bateria finlandesa Polar Night contém 100 toneladas de areia a cerca de 600 graus Celsius, para um total de 8 MWh de energia armazenada a uma capacidade de aquecimento de 100 kW. Isso torna a areia um meio de armazenamento de energia incrivelmente barato, sem tecnologias sofisticadas, instalações ou requisitos perigosos.

Sobre o armazenamento sazonal de energia térmica

O Armazenamento Sazonal de Energia Térmica ou STES, abreviado, existe há muito tempo. Na sua forma mais simples, você pode coletar água quente do telhado durante o verão e guardá-la em um tanque subterrâneo, que pode ser usado para aquecimento durante o inverno.

A maioria dos sistemas STES, no entanto, armazena calor a menos de 100°C, o que os torna adequados para aquecimento de residências e escritórios, mas menos ideais para outros usos industriais ou geração de energia.

O método é simples, você expõe qualquer meio que possa reter e reter o calor a uma fonte de radiação, como o sol, desperdício de calor industrial e assim por diante. A eficiência do sistema depende do método de troca de calor e sua eficiência.

Em seguida, você terá que armazenar o meio aquecido em um gabinete isolado, para minimizar a perda de energia. Alguns gabinetes podem reter bem o calor por muitos meses.

Finalmente, o meio de armazenamento é bombeado durante o inverno para fornecer aquecimento a residências e escritórios, passando-o por outro trocador de calor, como um aquecedor de radiador. Os materiais comuns usados ​​como meios de armazenamento STES incluem água, óleo, solo, hidratos de sal e assim por diante.

Usos populares de energia térmica armazenada

A energia térmica armazenada tem muitos usos, dependendo da aplicação pretendida. Aqui estão os mais populares:

1. Aquecimento para casas e escritórios – O armazenamento térmico pode facilmente fornecer aquecimento para espaços de estar e de trabalho no inverno.
   
2. Água quente – O calor também pode ser transferido para fornecer água quente sempre pronta para uso diário.
   
3. APLICAÇÕES INDUSTRIAIS – A água quente é usada para uma ampla gama de aplicações industriais, desde mistura até limpeza, processamento de alimentos, fabricação de solventes, esterilização e muito mais.
   
4. Produção de eletricidade  – Você também pode usar a energia térmica armazenada para aquecer a água a vapor e fazer com que ela acione turbinas, que, por sua vez, acionam alternadores que produzem energia elétrica.

A economia de uma bateria de areia

A água pode armazenar mais energia em comparação com a areia, mas torna-se instável a partir de 100°C (212°F) para cima, enquanto a areia pode conter facilmente temperaturas de 600°C (1112°F).

A água também reterá sua energia térmica por mais tempo do que a areia, o que torna a água um meio melhor para o armazenamento de energia sazonal. No entanto, se você estiver considerando um aplicativo que consome o calor em poucas horas ou apenas alguns dias, a areia se torna uma opção de primeira novamente. É perfeito para complementar fontes de energia intermitentes, como energia solar fotovoltaica e eólica.

De volta à bateria de areia finlandesa, o contêiner de aço de 7 metros de altura é projetado para 100 toneladas de areia, que suportam até 8 MWh de energia.

Para colocar em perspectiva, a casa média dos EUA usa cerca de 10 MWh de energia por ano, enquanto esse número varia na Europa de cerca de 2 MWh na Romênia a 9 MWh na Suécia. Além disso, 30-50% da energia é usada para aquecimento durante o inverno.

Isso significa que um reservatório de areia de 7 metros de altura pode produzir energia suficiente para aquecer algumas casas durante o inverno e dependendo da sua localização. Mas seria uma aplicação impraticável em centros urbanos com densidade populacional, dada a sua dimensão.

Converter sua capacidade de aquecimento de 100kW em eletricidade a 30%, por outro lado, pode produzir energia suficiente para mais de 20 residências durante o dia e muitas outras residências à noite.

Portanto, adequadamente otimizada, uma bateria de areia que custa cerca de US$ 5 por kWh de capacidade pode ser uma ótima alternativa ao custo atual de US$ 100+ por kWh para sistemas de baterias de chumbo-ácido e íons de lítio. Sim, pode ser mais volumoso, mas é muito mais barato.

Baterias de areia para geração de eletricidade

O armazenamento de energia térmica para posterior utilização na geração de eletricidade é uma tecnologia comprovada e confiável que vem sendo implementada em Energia Solar Concentrada (CSP) projetos há décadas.

A energia em um sistema CSP moderno é capturada pela concentração de centenas ou milhares de espelhos em um único forno. Esses espelhos rastreiam o sol durante o dia para garantir calor constante no forno até 565°C (1,049°F).

As instalações CSP são geralmente muito grandes, abrangendo milhões de pés quadrados (~ 1 + km2) de área, com seus receptores solares no centro e capacidades de geração elétrica na faixa de mais de 100 Megawatts.

Uma mistura de sal fundido com 60% de nitrato de sódio e 40% de nitrato de potássio é usada para armazenar energia em sistemas CSP para geração noturna. Ao contrário da bateria de areia, no entanto, essa mistura de sal derrete em altas temperaturas para fazê-la fluir como um fluido.

Os sistemas de bateria CSP e de areia convertem energia solar em energia térmica com eficiências aproximadamente iguais de 15 a 20%. Mas enquanto os sistemas de sal fundido CSP têm cerca de 50% de eficiência na conversão do calor armazenado em eletricidade, a bateria de areia finlandesa tem uma eficiência teórica de 20-25%.

Os sistemas CSP são comercialmente viáveis, portanto, se você puder ajustar essa bateria finlandesa para obter uma eficiência de conversão de calor em eletricidade acima de 30%, ela poderá se tornar uma tecnologia viável para armazenar e fornecer eletricidade renovável de maneira barata.

Tecnologias de armazenamento semelhantes

Existem muitas outras formas de armazenamento de energia, cada uma com seus prós e contras. Os tipos mais populares incluem:

1. Armazenamento de Energia Eletroquímica – Como você encontraria nas baterias, isso aproveita a diferença de potencial entre dois elementos para armazenar e liberar energia usando reações eletroquímicas reversíveis.
   
2. Armazenamento de Energia Mecânica – Isso envolve diferentes métodos, incluindo o uso de volantes e molas, bem como sistemas gravitacionais que armazenam energia em um objeto, guinchando-o e aumentando sua altitude.
   
3. Armazenamento de energia de sal fundido (MSES) – O armazenamento aqui é térmico, como usando uma combinação de 60% de nitrato de sódio e 40% de nitrato de potássio.
   
4. Água quente termal – Este método pode armazenar até 6kWh de energia em um tanque de água quente de 50 galões.
   
5. Hidrelétrica Bombeada – A forma mais barata de armazenamento de energia. Seu principal problema, no entanto, são os locais limitados onde pode ser implementado.
   
6. Ar comprimido – Semelhante à hidro, este método simplesmente comprime o ar para armazenar energia. Então, quando você precisa de energia, você libera o ar comprimido para alimentar uma turbina.
   
7. Flywheel – Você simplesmente usa energia para girar uma roda bem equilibrada, armazenando-a assim como energia cinética que pode ser usada para locomoção ou geração de energia elétrica.
   
8. Bateria de fluxo – Este é um sistema de armazenamento eletroquímico onde os eletrólitos estão em tanques diferentes e devem fluir de um tanque totalmente carregado para um tanque de carga vazio. Então, para carregar os eletrólitos, você simplesmente inverte o fluxo. Este método pode produzir baterias muito poderosas, pois os dois eletrólitos interagem através de uma membrana que você pode dimensionar extensivamente.
   
9. Materiais de mudança de fase – Esses materiais absorvem energia à medida que derretem e depois a liberam à medida que se solidificam. São ideais para armazenar energia térmica em temperaturas precisas.

Perguntas mais frequentes (FAQs)

Conclusão

Chegamos ao fim desta exploração de baterias de areia e seu potencial econômico. E como você deve ter percebido, eles oferecem muitas possibilidades.

Desde o fornecimento de calor para as comunidades até a geração de energia elétrica, o baixo custo da areia de sílica a torna um meio promissor para futuros projetos de energia.