Quanta energia renovável há disponível na Terra?

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Toda a energia da Terra é, em última instância, irradiada para o espaço - é por isso que há tanto interesse no chamado resfriamento radiativo, ou refrigeração passiva. [Imagem: NASA]

Fluxos de materiais e fluxos de energia

Que a Terra tem seus limites em termos de energia, é algo sobre o que já temos uma noção muito firme.

É por isso que governos e instituições em todo o mundo estão defendendo o conceito de economia circular. Ao fechar os ciclos dos materiais, os impactos ambientais associados à extração de matérias-primas podem ser evitados e o problema dos resíduos pode ser resolvido em grande medida.

Essa abordagem, no entanto, não é por si só suficiente para construir uma sociedade sustentável, uma vez que deixa em aberto a questão de quanto e com que rapidez os materiais podem ser reciclados e quanta energia é usada para alimentar esses ciclos.

Afinal, em uma sociedade verdadeiramente sustentável, não apenas os fluxos de materiais, mas também os fluxos de energia devem permanecer dentro dos limites estabelecidos pelo nosso planeta.

A questão-chave é, portanto: Há energia renovável suficiente disponível na Terra para gerenciar de forma sustentável os fluxos de materiais sem violar os limites planetários?

Esta questão está sendo investigada por uma equipe liderada pelo professor Harald Desing, do Laboratório de Tecnologia e Sociedade, ligado ao EMPA, na Suíça.

Esquema para quantificação do estoque de energia renovável da Terra.

[Imagem: Harald Desing et al. - 10.3390/en12244723]

Energia limpa sem limites?

Se olharmos para a Terra como um sistema, ela só troca energia com o espaço. De longe, a maior parte da energia trazida para o sistema terrestre é a radiação solar, complementada por pequenas contribuições do movimento planetário e da energia geotérmica. Esses fluxos de energia sempre foram usados inteiramente pela própria Terra, alimentando seus vários subsistemas, como os oceanos, a atmosfera e as florestas, bem como a geração das superfícies de gelo reflexivas.

A maioria desses subsistemas converte a energia recebida em fluxos de energia renováveis adicionais, por exemplo, as correntes de vento e água ou a produção de biomassa. Nessas conversões, a energia livre, chamada exergia, é extraída dos fluxos de energia que chegam.

À medida que a humanidade desvia cada vez mais fluxos de energia renovável para suas atividades, as partes disponíveis para o sistema terrestre são reduzidas. O sistema terrestre pode compensar esses desvios até certo ponto. No entanto, se eles forem muito grandes, aumenta o risco de ultrapassar os chamados "pontos de inflexão". Isso resultaria em mudanças rápidas e irreversíveis no sistema terrestre, como o derretimento das calotas polares, o que por sua vez aceleraria as mudanças climáticas.

A fim de não exceder esses pontos de inflexão, a área de terra ocupada pela tecnosfera não deve exceder um determinado limite planetário - que não sabemos ainda qual é. Contudo, além da escala, a forma como a terra é usada também é crucial: Usinas de energia solar, em vez de florestas, por exemplo - é apenas um exemplo, já que não há propostas de derrubar florestas para instalar painéis solares - atrapalhariam a biodiversidade, a evaporação e, portanto, o ciclo da água, a irradiação de calor de volta ao espaço e muito mais.

Esses limites máximos para ocupação da terra não se aplicam apenas ao uso direto da energia solar, mas também à colheita da chamada energia química - isto é, à agricultura e silvicultura, que produzem alimentos e forragens, materiais de aquecimento, combustíveis e materiais de construção. Aqui, a produção de energia para uso humano, incluindo os biocombustíveis, já compete com a produção de alimentos em muitas áreas.

Há muita energia na Terra, mas apenas uma parte pequena dela pode ser desviada da manutenção do próprio sistema planetário. [Imagem: Harald Desing et al. - 10.3390/en12244723]

Eletricidade como moeda universal

Para poder comparar ou somar os diversos potenciais de energias renováveis, os pesquisadores os converteram em equivalentes de energia elétrica.

Para fazer essa conversão, foram levadas em consideração as eficiências das tecnologias das usinas disponíveis hoje, já que faz diferença se a eletricidade é gerada a partir de energia solar, queima de madeira ou carvão ou energia hidrelétrica. Essas perdas de conversão reduzem a possível colheita de alguns potenciais de forma significativa.

O resultado do estudo é surpreendente: 99,96% da energia que chega à Terra vinda do espaço é necessária para alimentar o próprio sistema terrestre e a produção de alimentos - portanto, apenas 0,04% pode ser usado tecnicamente.

Embora pareça pouco, esse potencial ainda é cerca de dez vezes maior do que a demanda global de energia de hoje.

Um outro resultado, por outro lado, não é surpreendente quando olhamos para as perdas de conversão: Devemos preferir colher e usar a energia disponível por meio da conversão direta da energia solar. Afinal, quase todos os recursos de energia renovável - incluindo eólica, hidrelétrica e produção de biomassa - são, em última análise, movidos a energia solar. O uso direto de energia solar, portanto, significa menos etapas de conversão e, desta forma, menos perdas.

Fotovoltaicos em todas as superfícies feitas pelo homem

Grande parte da energia do Sol poderia ser colhida de uma pequena porção dos desertos da Terra, mas isso é técnica e logisticamente problemático.

Assim, a equipe propõe que a energia solar deve ser colhida em superfícies já "tampadas" em todo o mundo, o que inclui telhados e fachadas, mas também estradas, ferrovias e estacionamentos. Essa área seria suficiente para alimentar uma sociedade global com o consumo de energia dos países desenvolvidos.

No entanto, se o interesse for elevar a demanda global de energia ao nível da demanda per capita atual na Suíça, será necessário usar áreas desérticas. Todos os outros potenciais de energia (por exemplo, eólico ou biomassa) são ordens de magnitude menores do que o uso direto de energia solar - e alguns recursos já estão sendo usados em demasia. No entanto, eles podem desempenhar um papel significativo localmente, especialmente porque podem reduzir a necessidade de capacidade de armazenamento de energia, um problema que não foi considerado neste estudo - a coleta de energia solar pela tecnologia fotovoltaica é ótima para o dia, mas não funciona à noite.

Então o caminho para uma sociedade sustentável em termos energéticos é tão simples quanto construir usinas solares em massa? Não é tão simples, é claro.

A equipe analisou apenas a primeira etapa - calcular o potencial de energia disponível. A quantidade real de energia disponível será menor: Os fatores limitantes incluem a disponibilidade de matérias-primas, mas também capital humano e financeiro, impactos ambientais durante a extração ou produção de matérias-primas, operação e descarte das usinas e a necessidade de infraestrutura adicional para distribuição e armazenamento de energia.

Os pesquisadores estão analisando agora como pode ser esse caminho para nos levar de uma sociedade baseada em combustíveis fósseis para uma sociedade solar. O sistema de energia solar não deve apenas ser grande o suficiente para atender à demanda global, mas também deve ser capaz de substituir o sistema de combustível fóssil com rapidez suficiente para evitar a catástrofe climática a tempo, adiantam eles.

Outra tecnologia em desenvolvimento a ser considerada em futuros estudos inclui as células termovoltaicas, que geram eletricidade à noite aproveitando o frio do espaço.[Imagem: Masashi Ono]

Bibliografia:

Artigo: Powering a Sustainable and Circular Economy-An Engineering Approach to Estimating Renewable Energy Potentials within Earth System Boundaries
Autores: Harald Desing, Rolf Widmer, Didier Beloin-Saint-Pierre, Roland Hischier, Patrick Wäger
Revista: Energies
DOI: 10.3390/en12244723

 

Nanopartículas geram eletricidade para reações químicas - sem fios

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As partículas, cortadas de uma folha parecida com papel, podem ter qualquer formato e tamanho - e não precisam de fios.
[Imagem: Michael S. Strano Lab/MIT]

                     

Eletroquímica autoalimentada

Engenheiros do MIT descobriram uma maneira de gerar eletricidade usando minúsculas partículas de carbono simplesmente mergulhando-as em um solvente orgânico.

O líquido extrai elétrons das nanopartículas, gerando uma corrente elétrica que pode ser usada para alimentar reações químicas ou para robôs em micro ou nanoescala.

"Este mecanismo é novo e essa forma de gerar energia é completamente nova," disse o professor Michael Strano. "Esta tecnologia é intrigante porque tudo que você precisa fazer é fazer um solvente fluir por um leito dessas partículas. Isso permite que você faça eletroquímica, mas sem fios."

Para demonstrar o fenômeno, os pesquisadores usaram a corrente elétrica gerada pelas nanopartículas de carbono para impulsionar uma reação conhecida como oxidação do álcool - uma reação química orgânica que é importante na indústria química.

Nanopartículas geradoras de energia

A nova descoberta deriva de uma pesquisa da equipe sobre nanotubos de carbono, quando eles demonstraram, também pela primeira vez, que os nanotubos de carbono podem gerar "ondas termelétricas". Quando um nanotubo de carbono é revestido com uma camada de combustível, pulsos móveis de calor - ondas termelétricas - viajam ao longo do tubo, criando uma corrente elétrica, o que permite construir uma termobateria.

Isso os levou a descobrir uma característica relacionada aos nanotubos de carbono: Quando parte de um nanotubo é revestido com um polímero semelhante ao Teflon, cria-se uma assimetria que torna possível que os elétrons fluam da parte revestida para a não revestida, gerando uma corrente elétrica. E esses elétrons podem ser capturados submergindo as partículas em um solvente adequado, carente de elétrons.

Foi tentando aproveitar essa eletricidade que eles chegaram no trabalho atual. A equipe primeiro triturou os nanotubos de carbono, transformando-os em uma folha de material semelhante a papel, e então revestiu um dos lados da folha com um polímero semelhante ao Teflon. A folha é então cortada, criando pequenas partículas, que podem ter qualquer formato ou tamanho - nesta demonstração inicial, eles fizeram partículas com 250 x 250 micrômetros.

Quando essas partículas são submersas em um solvente orgânico, como o acetonitrila, o solvente adere à superfície não revestida das partículas e começa a puxar os elétrons para fora delas, criando uma corrente elétrica.

A grande vantagem da técnica é alimentar reações eletroquímicas "de dentro", sem depender do fornecimento externo de eletricidade.

[Imagem: Albert Tianxiang Liu et al. - 10.1038/s41467-021-23038-7]

Leito recheado

Esta primeira versão das nanopartículas gera cerca de 0,7 volts de eletricidade por partícula, mas elas podem formar matrizes de centenas de partículas dentro de um tubo de ensaio.

Esse "reator de leito recheado" gerou energia suficiente para alimentar uma reação química chamada de oxidação do álcool, na qual um álcool é convertido em um aldeído ou cetona - normalmente, essa reação não é realizada usando eletroquímica porque isso exigiria muita corrente externa.

"Como o reator de leito recheado é compacto, ele tem mais flexibilidade em termos de aplicações do que um grande reator eletroquímico," disse o pesquisador Ge Zhang. "As partículas podem ser muito pequenas e não requerem nenhum fio externo para conduzir a reação eletroquímica."

Bibliografia:

Artigo: Solvent-induced electrochemistry at an electrically asymmetric carbon Janus particle
Autores: Albert Tianxiang Liu, Yuichiro Kunai, Anton L. Cottrill, Amir Kaplan, Ge Zhang, Hyunah Kim, Rafid S. Mollah, Yannick L. Eatmon, Michael S. Strano
Revista: Nature Communications
Vol.: 12, Article number: 3415
DOI: 10.1038/s41467-021-23038-7

 

Milhões de carros elétricos estão chegando. O que acontece com todas as baterias gastas?

Fonte: https://www.sciencemag.org/

A bateria de um Tesla Model S é um feito de engenharia complexa. Milhares de células cilíndricas com componentes provenientes de todo o mundo transformam o lítio e os elétrons em energia suficiente para impulsionar o carro por centenas de quilômetros, repetidamente, sem emissões pelo tubo de escape. Mas quando a vida útil da bateria chega ao fim, seus benefícios verdes desaparecem. Se acabar em um aterro sanitário, suas células podem liberar toxinas problemáticas, incluindo metais pesados. E reciclar a bateria pode ser um negócio perigoso, alerta a cientista de materiais Dana Thompson, da Universidade de Leicester. Corte muito fundo em uma célula de Tesla, ou no lugar errado, e pode causar curto-circuito, combustão e liberação de gases tóxicos.

Esse é apenas um dos muitos problemas que os pesquisadores enfrentam, incluindo Thompson, que estão tentando resolver um problema emergente: como reciclar os milhões de baterias de veículos elétricos (EV) que os fabricantes esperam produzir nas próximas décadas. As baterias EV atuais “realmente não são projetadas para serem recicladas”, diz Thompson, pesquisador da Faraday Institution, um centro de pesquisa focado em problemas de baterias no Reino Unido.

Isso não era um grande problema quando os EVs eram raros. Mas agora a tecnologia está decolando. Vários fabricantes de automóveis disseram que planejam desativar os motores de combustão dentro de algumas décadas, e analistas da indústria prevêem que pelo menos 145 milhões de veículos elétricos estarão na estrada em 2030, contra apenas 11 milhões no ano passado. “As pessoas estão começando a perceber que isso é um problema”, diz Thompson.

Uma bateria fragmentada de veículo elétrico pode produzir metais recicláveis, mas costuma ser mais barato para os fabricantes de baterias usar novos materiais.

LABORATÓRIO NACIONAL DE ARGONNE.

Os governos estão se esforçando para exigir algum nível de reciclagem. Em 2018, a China impôs novas regras destinadas a promover a reutilização de componentes de bateria EV. Espera-se que a União Europeia finalize seus primeiros requisitos este ano. Nos Estados Unidos, o governo federal ainda não aprovou os mandatos de reciclagem, mas vários estados, incluindo a Califórnia - o maior mercado de automóveis do país - estão explorando o estabelecimento de suas próprias regras.

Cumprir não será fácil. As baterias diferem amplamente em química e construção, o que torna difícil criar sistemas de reciclagem eficientes. E as células geralmente são mantidas juntas com cola resistente que as torna difíceis de desmontar. Isso contribuiu para um obstáculo econômico: geralmente é mais barato para os fabricantes de baterias comprar metais recém-extraídos do que usar materiais reciclados.

A cientista de materiais Dana Thompson desenvolve solventes para extrair metais  valiosos de baterias gastas de automóveis. INSTITUIÇÃO FARADAY

Melhores métodos de reciclagem não só evitariam a poluição, observam os pesquisadores, mas também ajudariam os governos a aumentar sua segurança econômica e nacional, aumentando o fornecimento de metais essenciais para baterias, controlados por um ou alguns países. “Por um lado, [descartar baterias EV] é um problema de gerenciamento de resíduos. E, por outro lado, é uma oportunidade para produzir um fluxo secundário sustentável de materiais críticos ”, diz Gavin Harper, pesquisador da Universidade de Birmingham que estuda questões de política de EV.

Para impulsionar a reciclagem, os governos e a indústria estão investindo em uma série de iniciativas de pesquisa. O Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) injetou cerca de US $ 15 milhões em um Centro ReCell para coordenar estudos de cientistas na academia, na indústria e em laboratórios do governo. O Reino Unido apoiou o projeto ReLiB, um esforço de várias instituições. À medida que a indústria de EV aumenta, a necessidade de progresso está se tornando urgente, diz Linda Gaines, que trabalha na reciclagem de baterias no Laboratório Nacional de Argonne do DOE. “Quanto mais cedo conseguirmos colocar tudo em movimento”, diz ela, “melhor”.

AS BATERIAS EV  são construídas um pouco como bonecos aninhados. Normalmente, um pacote principal contém vários módulos, cada um dos quais construído a partir de várias células menores (veja o gráfico abaixo). Dentro de cada célula, os átomos de lítio se movem através de um eletrólito entre um ânodo de grafite e uma folha de cátodo composta de um óxido de metal. As baterias são geralmente definidas pelos metais no cátodo. Existem três tipos principais: níquel-cobalto-alumínio, ferro-fosfato e níquel-manganês-cobalto.

Agora, os recicladores visam principalmente metais no cátodo, como cobalto e níquel, que alcançam preços elevados. (O lítio e o grafite são baratos demais para serem reciclados para serem econômicos.) Mas, devido às pequenas quantidades, os metais são como agulhas em um palheiro: difíceis de encontrar e recuperar.

Nova vida para células gastas

Os cientistas estão trabalhando para garantir que as baterias de veículos elétricos (EV) vendidas hoje possam ser recicladas em 2030 e depois, quando milhares de baterias chegarão ao fim de suas vidas todos os dias. As baterias EV vêm em muitos designs, mas geralmente compartilham esses componentes.

 

Para extrair essas agulhas, os recicladores contam com duas técnicas, conhecidas como pirometalurgia e hidrometalurgia. A mais comum é a pirometalurgia, na qual os recicladores primeiro retalham mecanicamente a célula e depois a queimam, deixando uma massa carbonizada de plástico, metais e colas. Nesse ponto, eles podem usar vários métodos para extrair os metais, incluindo mais queima. “O Pyromet trata essencialmente a bateria como se fosse um minério” direto de uma mina, diz Gaines. A hidrometalurgia, em contraste, envolve mergulhar os materiais da bateria em poças de ácido, produzindo uma sopa carregada de metal. Às vezes, os dois métodos são combinados.

Cada um tem vantagens e desvantagens. A pirometalurgia, por exemplo, não exige que o reciclador saiba o desenho ou a composição da bateria, ou mesmo se ela está totalmente descarregada, para seguir em frente com segurança. Mas é um processo intensivo de energia. A hidrometalurgia pode extrair materiais que não são facilmente obtidos por meio da queima, mas pode envolver produtos químicos que apresentam riscos à saúde. E recuperar os elementos desejados da sopa química pode ser difícil, embora os pesquisadores estejam experimentando compostos que prometem dissolver certos metais da bateria, mas deixam outros em uma forma sólida, tornando-os mais fáceis de serem recuperados. Por exemplo, Thompson identificou um candidato, uma mistura de ácidos e bases chamada solvente eutético profundo, que dissolve tudo, exceto o níquel.

Ambos os processos produzem muitos resíduos e emitem gases de efeito estufa, descobriram estudos. E o modelo de negócios pode ser instável: a maioria das operações depende da venda de cobalto recuperado para se manter no mercado, mas os fabricantes de baterias estão tentando abandonar esse metal relativamente caro. Se isso acontecer, os recicladores podem ficar tentando vender pilhas de “sujeira”, diz a cientista de materiais Rebecca Ciez, da Purdue University.

Os círculos de reciclagem

A pirometalurgia queima as baterias gastas em uma escória e a hidrometalurgia as dissolve em ácidos. Ambos visam extrair materiais catódicos. O ideal é a reciclagem direta, que recuperaria o cátodo intacto. Mas para que a reciclagem seja viável, ela deve ter um custo competitivo em relação aos materiais extraídos.

                                                                       C. BICKEL / CIÊNCIA

O IDEAL  é a reciclagem direta, que manteria a mistura catódica intacta. Isso é atraente para os fabricantes de baterias porque os cátodos reciclados não exigiriam processamento pesado, observa Gaines (embora os fabricantes ainda precisem revitalizar os cátodos adicionando pequenas quantidades de lítio). “Então, se você está pensando em economia circular, [reciclagem direta] é um círculo menor do que piromet ou hidromete”.

Na reciclagem direta, os trabalhadores primeiro aspirariam o eletrólito e fragmentariam as células da bateria. Em seguida, eles removeriam aglutinantes com calor ou solventes e usariam uma técnica de flotação para separar os materiais do ânodo e do cátodo. Neste ponto, o material do cátodo se parece com talco de bebê.

Até agora, os experimentos de reciclagem direta focaram apenas em células individuais e renderam apenas dezenas de gramas de pós catódicos. Mas pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável dos Estados Unidos construíram modelos econômicos que mostram que a técnica poderia, se ampliada nas condições certas, ser viável no futuro.

Para realizar a reciclagem direta, no entanto, fabricantes de baterias, recicladores e pesquisadores precisam resolver uma série de problemas. Uma é garantir que os fabricantes rotulem suas baterias, para que os recicladores saibam com que tipo de célula estão lidando - e se os metais do cátodo têm algum valor. Dado o mercado de baterias em rápida mudança, observa Gaines, os cátodos fabricados hoje podem não ser capazes de encontrar um futuro comprador. Os recicladores estariam “recuperando um dinossauro. Ninguém vai querer o produto. ”

 

Um técnico na Alemanha certifica-se de que uma bateria de íon de lítio queimada é descarregada antes de uma nova reciclagem. WOLFGANG RATTAY / REUTERS

Outro desafio é quebrar com eficiência as baterias do EV. O módulo de bateria retangular Leaf da Nissan pode levar 2 horas para desmontar. As células de Tesla são únicas não apenas por sua forma cilíndrica, mas também pelo cimento de poliuretano quase indestrutível que as mantém juntas.

Os engenheiros podem ser capazes de construir robôs que podem acelerar a desmontagem da bateria, mas problemas persistentes permanecem mesmo depois de entrar na célula, observam os pesquisadores. Isso porque mais colas são usadas para manter os ânodos, cátodos e outros componentes no lugar. Um solvente que os recicladores usam para dissolver aglutinantes de cátodo é tão tóxico que a União Europeia introduziu restrições ao seu uso, e a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos determinou no ano passado que ele representa um “risco irracional” para os trabalhadores.

“Em termos de economia, você tem que desmontar ... [e] se você quiser desmontar, você precisa se livrar das colas”, diz Andrew Abbott, um químico da Universidade de Leicester e conselheiro de Thompson.

PARA FACILITAR O PROCESSO , Thompson e outros pesquisadores estão incentivando os fabricantes de EV e baterias a começar a projetar seus produtos tendo em mente a reciclagem. A bateria ideal, diz Abbott, seria como um biscoito de Natal, um presente de feriado no Reino Unido que se abre quando o destinatário puxa uma das pontas, revelando um doce ou uma mensagem. Como exemplo, ele cita a Blade Battery, uma bateria de ferrofosfato de lítio lançada no ano passado pela BYD, uma fabricante chinesa de EV. Seu pacote elimina o componente do módulo, em vez de armazenar células planas diretamente dentro. As células podem ser removidas facilmente com as mãos, sem brigar com fios e colas.

A bateria Blade surgiu depois que a China em 2018 começou a tornar os fabricantes de EV responsáveis ​​por garantir que as baterias sejam recicladas. O país agora recicla mais baterias de íon-lítio do que o resto do mundo combinado, usando principalmente métodos piro e hidrometalúrgicos.

Nações que estão se preparando para adotar políticas semelhantes enfrentam algumas questões espinhosas. Um, diz Thompson, é quem deve ser o principal responsável por fazer a reciclagem acontecer. “É minha responsabilidade porque comprei [um VE] ou é responsabilidade do fabricante porque eles o fizeram e estão vendendo?”

Na União Europeia, uma resposta pode vir ainda este ano, quando as autoridades liberarem a primeira regra do continente. E no ano que vem, um painel de especialistas criado pelo estado da Califórnia deve opinar com recomendações que podem ter uma grande influência sobre qualquer política dos EUA.

Os pesquisadores da reciclagem, por sua vez, dizem que a reciclagem eficaz da bateria exigirá mais do que apenas avanços tecnológicos. O alto custo do transporte de itens combustíveis por longas distâncias ou além das fronteiras pode desencorajar a reciclagem. Como resultado, colocar centros de reciclagem nos lugares certos pode ter um “impacto enorme”, diz Harper. “Mas haverá um verdadeiro desafio na integração de sistemas e em reunir todas essas partes diferentes de pesquisa.”

Há pouco tempo a perder, diz Abbott. “O que você não quer são 10 anos de produção de uma célula que é absolutamente impossível de separar”, diz ele. “Ainda não está acontecendo, mas as pessoas estão gritando e temendo que isso aconteça”.

 

 

Baterias de sódio
mais perto de desbancar as de lítio

À esquerda, uma bateria de sódio comum, cheia de dendritos, prontos para por tudo a perder. À direita, nova bateria de sódio sem anodo, sem nenhum dendrito.

[Imagem: Bai Lab]

Bateria de sódio

Já há algum tempo se espera que as baterias de sódio substituam as baterias de lítio, porque são baterias de estado sólido e potencialmente muito baratas - o sódio pode ser extraído da água do mar. Mas ainda havia um gargalo a ser corrigido: As baterias de sódio formam os mesmos dendritos - estruturas em foram de espinho - que fazem com que as baterias de lítio parem de funcionar ou, vez por outra, explodam. Esse problema acaba de ser resolvido por uma equipe da Universidade de Washington, nos EUA. E a solução é um tanto inusitada: A equipe simplesmente se livrou do anodo, o eletrodo positivo da bateria.

Dendritos

Uma bateria de íons de lítio tradicional consiste em um catodo (negativo) e um anodo (positivo), os quais armazenam íons de lítio; um separador para manter cada um desses dois eletrodos no lugar; e um eletrólito, o líquido através do qual os íons de lítio se movem.

Quando o lítio flui do anodo para o catodo, os elétrons livres saem do coletor de corrente para o dispositivo que está sendo alimentado, enquanto o lítio ruma pelo separador até o catodo. Para recarregar, o processo é invertido e o lítio passa do catodo, através do separador, até o anodo.

Várias equipes já haviam tentado imitar esse processo com as baterias de sódio - que têm a vantagem de dispensar o eletrólito líquido - eliminando o eletrodo positivo porque o sódio pode simplesmente se acumular na forma metálica.

"Mas o problema tem sido que, com essa química bem conhecida, ninguém jamais mostrou que essa bateria sem anodo pode ter uma vida útil razoável. Elas sempre falham muito rapidamente ou têm uma capacidade muito baixa ou requerem processamento especial do coletor de corrente," explica o professor Peng Bai.

Célula transparente, usada pela equipe para encontrar a química ideal para se livrar do eletrodo positivo. [Imagem: Bai Lab]

Bateria sem anodo

A equipe do professor Bai, contudo, conseguiu agora projetar uma bateria de sódio usando apenas uma fina camada de folha de cobre no lado do anodo. Essa folha de cobre funciona como o coletor de corrente, ou seja, a bateria não tem um material de anodo ativo.

Em vez de fluir para um polo positivo, onde permaneceriam até a hora de voltarem para o catodo, os íons de sódio são transformados em metal: Primeiro, eles revestem a folha de cobre e depois se dissolvem quando chega a hora de retornar ao catodo para que a bateria seja recarregada. "Em nossa descoberta, não há dendritos, nenhuma estrutura semelhantes a dedos," disse o pesquisador Bingyuan Ma. "Esse tipo de modo de crescimento nunca foi observado para esse tipo de metal alcalino."

"Olhe seu telefone celular, seu carro elétrico. Um quarto do custo desses itens vem da bateria," acrescentou o professor Bai. "As baterias de sódio usam um metal mais comum do que as baterias de lítio, elas têm a mesma densidade de energia das baterias de lítio; e são menores e mais baratas do que as baterias de lítio, graças à eliminação do anodo."

Agora é esperar que a equipe passe dos pequenos protótipos de laboratório para dispositivos mais próximos do uso real.

Bibliografia:

Artigo: Dynamic Interfacial Stability Confirmed by Microscopic Optical Operando Experiments Enables High-Retention-Rate Anode-Free Na Metal Full Cells

Autores: Bingyuan Ma, Youngju Lee, Peng Bai

Revista: Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202005006

 

Torres eólicas de madeira são mais baratas e ambientalmente neutras

Fonte:www.inovacaotecnologica.com.br

A torre eólica está sendo construída de painéis de madeira laminada colada (MLC).

[Imagem: Modvion]

Madeira engenheirada

Embora a exploração e o uso da madeira não sejam vistos com bons olhos no Brasil, sempre às voltas com a devastação ilegal das florestas, o setor madeireiro é uma indústria próspera e sustentável em países do hemisfério norte, onde as árvores são plantadas e colhidas, como aqui se planta e colhe soja, milho, arroz ou qualquer outra cultura.

E, nesses países, a tecnologia da madeira também tem-se beneficiado de progressos em várias áreas, gerando o setor das chamadas "madeiras engenheiradas", que hoje movimenta bilhões de dólares no mundo todo.

As madeiras engenheiradas são produtos industriais derivados da madeira, pertencentes à classe dos compósitos, geralmente feitas mesclando madeira triturada com outros produtos, como resinas e colas de diversos tipos.

As principais vantagens são a utilização de madeiras não consideradas nobres como matéria-prima, sobretudo aquelas cultivadas por terem crescimento rápido, como as famílias dos pinheiros, e a geração de produtos industriais padronizados, como as placas de compensado, MDF, MDP, MLC etc.

Torre eólica de madeira

A mais recente das inovações na tecnologia da madeira vem da Suécia, onde pesquisadores do Centro Sueco de Tecnologia em Energia Eólica preparam-se para construir a primeira torre de turbina eólica inteiramente de madeira engenheirada.

A torre da madeira de teste, que está sendo construída na localidade de Bjorko, terá 30 metros de altura, será tão forte quanto as torres de aço e, segundo seus criadores, tornará a turbina eólica totalmente neutra em carbono.

A expectativa é que o protótipo esteja pronto ainda este ano. A construção conta com a parceria das empresas Modvion e Moelven Toreboda e está sendo feita com painéis de madeira laminada colada (MLC).

"Este é um grande avanço, que abre o caminho para a próxima geração de turbinas eólicas. A madeira laminada é mais forte do que o aço para o mesmo peso e, sendo construídas em módulos, as turbinas eólicas podem ser mais altas. Ao construir em madeira, também reduzimos as emissões de dióxido de carbono na fabricação e, em vez disso, armazenamos dióxido de carbono no projeto," disse Otto Lundman, da Modvion.

As torres eólicas em madeira também ficam significativamente mais baratas de construir do que as torres de aço, o que diminui o custo de produção da eletricidade gerada pela energia eólica. A expectativa é que elas tenham uma vida útil de 25 a 30 anos.

Vista interna de um dos módulos da torre eólica de madeira.

[Imagem: Modvion]

Próximas torres já agendadas

A torre de energia eólica que está sendo erguida será usada para fins de pesquisa. Mas, de acordo com as empresas, as primeiras torres de madeira serão construídas em escala comercial já em 2022. Os contratos já estão assinados para a construção de uma torre de 110 metros de altura e, com outro parceiro, outras 10 torres, com pelo menos 150 metros de altura.

"A madeira tem propriedades fantásticas, e precisamos construir muito mais em madeira se quisermos cumprir as metas climáticas. Para nós, é extremamente inspirador participar deste projeto-piloto, onde pudemos usar madeira renovável em um projeto para a produção de energia renovável," disse Johan Ahlén, da Toreboda.

 

Bateria com água do mar pode revolucionar armazenamento de energia

Fonte:www.inovacaotecnologica.com.br

Em vez dos solventes comumente usados, a nova bateria funciona até com água do mar.

[Imagem: Zhenxing Feng Lab]

Bateria aquosa

Pesquisadores desenvolveram um novo componente para baterias que pode revolucionar a maneira como os dispositivos de armazenamento de energia são projetados e fabricados.

A liga à base de zinco e manganês permite substituir os solventes comumente usados como eletrólitos nas baterias por algo muito mais seguro e barato, além de abundante: Água do mar.

Embora as baterias de estado sólido sejam as mais promissoras para substituir as baterias de aparelhos portáteis, há demandas por formas de armazenamento de energia de grande porte, onde um eletrólito líquido não representa problemas.

Por exemplo, a energia renovável - como eólica e solar - pode ser guardada na forma de energia química, em tanques que podem ser ampliados conforme a necessidade; posteriormente, reações químicas adequadas convertem o composto de volta na energia elétrica necessária para alimentar veículos, celulares, laptops e muitos outros dispositivos e máquinas, sem as restrições de intermitência dos ventos e do Sol.

Positivo, negativo e meio de transporte

Uma bateria consiste em dois terminais - o anodo (negativo) e o catodo (positivo), normalmente feitos de materiais diferentes - e um eletrólito, um meio químico que permite o fluxo de carga elétrica - há também separadores adequados entre esses materiais.

Nas conhecidas baterias de íons de lítio, como seu nome sugere, uma carga elétrica é transportada por meio de íons de lítio conforme eles se movem através do eletrólito, indo do anodo para o catodo durante o uso, e de volta durante a recarga.

"Os eletrólitos nas baterias de íons de lítio são normalmente dissolvidos em solventes orgânicos, que são inflamáveis e muitas vezes se decompõem em altas tensões de operação. Portanto, há obviamente preocupações de segurança, incluindo o crescimento de dendritos de lítio na interface eletrodo-eletrólito, que podem causar um curto entre os eletrodos," explica o professor Zhenxing Feng, da Universidade Estadual do Oregon, nos EUA.

Embora a água do mar chame a atenção, o segredo da inovação está em uma liga nanoestrutura de zinco e manganês.

[Imagem: Huajun Tian et al. - 10.1038/s41467-020-20334-6]

Liga nanoestruturada mais água do mar

É por isso que Feng e sua equipe estão propondo uma solução aquosa para a sua bateria, justificando que os eletrólitos aquosos são competitivos em termos de custos, ambientalmente benignos, permitem carregamento rápido e suportam altas densidades de energia.

A solução consiste em uma liga nanoestruturada de zinco e manganês, que forma uma espécie de cerâmica porosa.

"O uso de zinco permite transferir duas vezes mais cargas [elétricas] do que o lítio, melhorando assim a densidade de energia da bateria. O uso da liga com sua nanoestrutura especial não apenas suprime a formação de dendritos, ao controlar a termodinâmica da reação de superfície e a cinética da reação, mas também demonstra uma estabilidade superelevada ao longo de milhares de ciclos sob condições eletroquímicas severas.

"Nós também testamos nossa bateria aquosa usando água do mar, em vez de água desionizada de alta pureza, como eletrólito. Nosso trabalho demonstrou o potencial comercial para a fabricação em larga escala dessas baterias," finalizou Feng.

Bibliografia:

Artigo: Stable, high-performance, dendrite-free, seawater-based aqueous batteries
Autores: Huajun Tian, Zhao Li, Guangxia Feng, Zhenzhong Yang, David Fox, Maoyu Wang, Hua Zhou, Lei Zhai, Akihiro Kushima, Yingge Du, Zhenxing Feng, Xiaonan Shan, Yang Yang
Revista: Nature Communications
Vol.: 12, Article number: 237
DOI: 10.1038/s41467-020-20334-6