Sistema armazena energia solar em grande escala

Sistema armazena energia solar em grande escala

Os engenheiros do MIT criaram um projeto conceitual para um sistema de armazenamento de energia renovável, como energia solar e eólica, e para fornecer essa energia de volta a uma rede elétrica sob demanda. O sistema pode ser projetado para abastecer uma cidade pequena não apenas quando o sol está alto ou o vento está forte, mas o tempo todo.

O novo design armazena calor gerado pelo excesso de eletricidade da energia solar ou eólica em grandes tanques de silício fundido incandescente, e então converte a luz do metal incandescente de volta em eletricidade quando é necessário. Os pesquisadores estimam que tal sistema seria muito mais acessível do que as baterias de íons de lítio, que têm sido propostas como um método viável, embora caro, para armazenar energia renovável. Eles também estimam que o sistema custaria cerca de metade do que o armazenamento hidrelétrico bombeado - a forma mais barata de armazenamento de energia em grande escala até hoje.

"Mesmo se quiséssemos operar a rede de energia renovável agora, não poderíamos, porque você precisaria de turbinas movidas a combustíveis fósseis para compensar o fato de que a oferta renovável não pode ser despachada sob demanda", diz Asegun Henry, o Robert. N. Noyce - Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira no Departamento de Engenharia Mecânica. "Estamos desenvolvendo uma nova tecnologia que, se bem-sucedida, resolveria esse problema mais importante e crítico de energia e mudança climática, a saber, o problema de armazenamento".

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

O novo sistema de armazenamento deriva de um projeto no qual os pesquisadores procuraram maneiras de aumentar a eficiência de uma forma de energia renovável conhecida como energia solar concentrada. Ao contrário das usinas solares convencionais que usam painéis solares para converter luz diretamente em eletricidade, a energia solar concentrada requer vastos campos de grandes espelhos que concentram a luz do sol 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 que, quando você faz esse processo de focalizar a luz para obter calor, é possível armazenar o calor de maneira muito mais barata do que armazenar eletricidade", observa Henry.

As 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 para o vapor. Uma turbina transforma esse vapor em eletricidade.

"Essa tecnologia existe há algum tempo, mas o pensamento é que seu custo nunca ficará baixo o suficiente para competir com o gás natural", diz Henry. "Então houve um empurrão para operar em temperaturas muito mais altas, então você poderia usar um motor térmico mais eficiente e baixar o custo."

No entanto, se os operadores fossem aquecer o sal muito além das temperaturas atuais, o sal corroeria os tanques de aço inoxidável nos quais ele é armazenado. Então, a equipe de Henry procurou um meio diferente do sal que pudesse armazenar calor a temperaturas muito mais altas. Inicialmente, eles propuseram um metal líquido e, eventualmente, se estabeleceram no silício - o metal mais abundante na Terra, que pode suportar temperaturas incrivelmente altas de mais de 4.000 graus Fahrenheit.

No ano passado, a equipe desenvolveu uma bomba que poderia suportar esse calor escaldante, e poderia projetar um silício líquido através de um sistema de armazenamento renovável. A bomba tem a maior tolerância ao calor já registrada - um feito que é observado em "The Guiness Book of World Records". Desde esse desenvolvimento, a equipe vem 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. 
Em vez de usar campos de espelhos e uma torre central para concentrar o calor, eles propõem a conversão de 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 por um elemento de aquecimento.

O sistema poderia ser emparelhado com sistemas de energia renovável existentes, como células solares, para capturar o excesso de eletricidade durante o dia e armazená-lo para uso posterior. Considere, por exemplo, uma pequena cidade no Arizona que recebe uma parte de sua eletricidade de uma usina solar.

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

O sistema consistiria em um tanque grande, fortemente isolado, com 10 metros 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, conecta esse tanque frio a um segundo tanque "quente". Quando a eletricidade das células solares da cidade entra no sistema, essa 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 quando passa pelo 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.

Quando a eletricidade é necessária, digamos, depois que o sol se pôs, o silício líquido quente - tão quente que está brilhando branco - é bombeado através de uma série de tubos que emitem essa luz. Células solares especializadas, conhecidas como fotovoltaicos multijuncionais, transformam a 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 que as pessoas começaram a chamar nosso conceito é 'sun in a box', que foi cunhado por minha colega Shannon Yee na Georgia Tech", diz Henry. "É basicamente uma fonte de luz extremamente intensa que está contida em uma caixa que aprisiona o calor."

Uma chave de armazenamento

Henry diz que o sistema exigiria tanques grossos e fortes o suficiente para isolar o líquido fundido.

"O material está brilhando branco quente por dentro, mas o que você toca do lado de fora deve ser a temperatura ambiente", diz Henry.

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

Para testar essa possibilidade, a equipe fabricou um tanque de grafite em miniatura e encheu-o com silício líquido. Quando o líquido foi mantido a 3600 F durante cerca de 60 minutos, o carboneto de silício se formou, mas em vez de corroer o tanque, criou um revestimento fino e protetor.

"Ele adere ao grafite e forma uma camada protetora, evitando reações posteriores", diz Henry. "Então você pode construir esse tanque com 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, eles teriam que ser selados de maneira a evitar que o líquido derretido vazasse. Em seu artigo, os pesquisadores demonstraram que poderiam evitar qualquer vazamento parafusando pedaços de grafite com parafusos de fibra de carbono e selando - os com grafite flexível que funciona como um selante de alta temperatura.

Os pesquisadores estimam que um único sistema de armazenamento poderia permitir que uma pequena cidade de cerca de 100.000 residências fosse alimentada inteiramente por energia renovável.

Henry enfatiza que o design do sistema é geograficamente ilimitado, o que significa que ele pode ser instalado em qualquer lugar, independentemente da paisagem de um local. Isso está em contraste com a hidrelétrica bombeada - atualmente a forma mais barata de armazenamento de energia, que requer locais que podem acomodar grandes cachoeiras e represas, a fim de armazenar energia da água em queda.

"Isso é geograficamente ilimitado e é mais barato do que hidrelétrica bombeada, o que é muito interessante", diz Henry. "Em teoria, este é o eixo para permitir que as energias renováveis ​​alimentem toda a rede."

Artigo:

Caleb Amy, Hamid Reza Seyf, Myles A. Steiner, Daniel J. Friedman, Asegun Henry. Thermal energy grid storage using multi-junction photovoltaics. Energy & Environmental Science, 2019; DOI: 10.1039/C8EE02341G

Fonte:

www.sciencedaily.com/releases/2018/12/181205171913.htm

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