Pesquisadores criam bateria de fluxo mais segura para armazenar energia

Nova tecnologia elimina bombas e mangueiras e pode facilitar aproveitamento de eletricidade solar e eólica

Sol e vento são fontes de energia abundantes, mas intermitentes. Por isso, é preciso armazenar a eletricidade gerada para usá-la depois. Pesquisadores da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (Feec) da Unicamp, ligados ao grupo de pesquisa Brazilian Renewable Energies (BREnergies), desenvolveram uma nova arquitetura de bateria de fluxo que pode tornar esse armazenamento mais seguro, barato e simples de montar.

A tecnologia foi desenvolvida durante o doutorado de João Pedro Aguiar dos Santos, engenheiro eletricista formado pela Pontifícia Universidade Católica (PUC) de Goiás, com mestrado e doutorado em engenharia elétrica pela Unicamp. Sob orientação do professor Cesar Pagan e coorientação do professor Hudson Zanin no doutorado, ele pesquisou baterias de fluxo capazes de armazenar grandes quantidades de energia.

As baterias de fluxo tradicionais são formadas por um conjunto de placas empilhadas. Mangueiras e bombas externas fazem circular entre essas placas o eletrólito, líquido que contém os materiais responsáveis por armazenar a energia. Esse sistema sofre dois problemas frequentes: vazamentos do eletrólito e crescimento de dendritos, estruturas ramificadas de material sólido que se formam dentro da bateria e podem causar curto-circuito.

Novo formato

Em suas pesquisas, Santos não encontrou no mercado equipamento que permitisse montar o tipo de bateria que vislumbrava. “Durante os estudos, percebi que não existia nenhum tipo de design ou setup experimental que pudéssemos comprar para montar a bateria. Isso foi um grande desafio, porque tivemos que montar desde as células até os reatores maiores para fazer os experimentos no laboratório”, explica o engenheiro. Da dificuldade nasceu um pedido de patente, depositado no Instituto Nacional de Propriedade Industrial (Inpi) com apoio da Inova Unicamp.

Em vez de empilhar placas paralelas, os inventores criaram um design cilíndrico. Cada célula dessa bateria tem dois eletrodos (componentes onde ocorrem as reações eletroquímicas) em formato de anel, de tamanhos diferentes, um dentro do outro. As células ficam seladas individualmente e podem ser conectadas em série sem precisar ser empilhadas, o que reduz bastante o risco de vazamento de eletrólitos.

Outro destaque está na forma como o eletrólito circula dentro da bateria. As baterias de fluxo tradicionais dependem de bombas e mangueiras externas que podem entupir ou quebrar. No design proposto pela nova tecnologia, uma pequena turbina gira dentro da própria bateria e faz o eletrólito circular internamente, sem mangueiras. Isso elimina um dos pontos mais frágeis das baterias de fluxo atuais.

Desempenho superior

Em testes de carga e descarga, a bateria de fluxo giratório alcançou aproximadamente 400 ciclos sem aditivos no eletrólito, superando resultados da literatura, nos quais sistemas semelhantes nas mesmas condições não ultrapassaram cerca de 100 ciclos devido ao crescimento de dendritos. Com melhorias no eletrólito e o uso de aditivos, a expectativa é superar 3 mil ciclos e melhorar o seu desempenho elétrico.
A bateria apresentou ainda 98% de eficiência de carga e cerca de 82% de eficiência de energia, devolvendo a maior parte da energia armazenada e perdendo pouco em forma de calor. Valores acima de 80% já são considerados bons para esse tipo de armazenamento. Em teste prático, a bateria funcionou por duas horas seguidas, alimentando LEDs e um ventilador.

Insumos nacionais

Além da arquitetura, outro diferencial é a possibilidade de construir a bateria com insumos disponíveis no Brasil, como grafite, motores, peças mecânicas e eletrólitos à base de água, que não são inflamáveis. O design também pode ser adaptado a três composições químicas diferentes. Nos testes, os pesquisadores utilizaram uma versão solúvel baseada em íons de chumbo dissolvidos em um eletrólito aquoso, aproveitando também a cadeia de reciclagem de chumbo já consolidada no país, capaz de recuperar mais de 98% do material.

A diferença em relação às baterias de chumbo-ácido tradicionais (uma categoria diferente das baterias de fluxo) está nos eletrodos usados. As baterias comuns usam placas sólidas de chumbo, que se desgastam com o tempo, enquanto na versão dos inventores os eletrodos são feitos apenas de grafite, e o chumbo fica dissolvido na solução, formando depósitos que depois voltam integralmente para o líquido.

Uma bateria de chumbo-ácido tradicional perde mais de 30% da capacidade depois de 400 ciclos, enquanto esta manteve toda a eficiência no mesmo período. A expectativa é que a bateria dure até 20 anos, já que, quando o eletrólito se degrada, basta trocá-lo por um novo – o que, no caso da bateria de chumbo-ácido, não restaura a condição original do equipamento, devido à degradação dos eletrodos e outros componentes.

Aplicação

Quanto às aplicações, a bateria foi projetada para armazenamento estacionário de energia em grande escala, com potencial para compor sistemas Bess (“sistemas de armazenamento de energia em baterias”, na sigla em inglês), normalmente conectados a usinas solares e eólicas ou diretamente à rede elétrica. Nesses sistemas, a energia é armazenada nos períodos de maior geração e utilizada posteriormente nos momentos de maior demanda, contribuindo para aumentar a flexibilidade, estabilidade e segurança do sistema elétrico.

Esse tipo de aplicação ganhou relevância no Brasil com as discussões relacionadas ao chamado Leilão de Reserva de Capacidade na forma de Potência (LRCAP) para sistemas de armazenamento. Nesse contexto, a bateria de fluxo giratório pode servir como uma solução nacional de armazenamento de longa duração. Outra aplicação é a redução do chamado curtailment, situação em que parte da geração de uma usina solar ou eólica precisa ser limitada porque a rede não consegue absorver ou transportar toda a energia produzida naquele momento.

Em sistemas isolados ou regiões que ainda dependem de geração térmica, a tecnologia pode substituir geradores a diesel, cuja eficiência é inferior a 40% e que apresentam emissões significativas de dióxido de carbono. Santos ressalta que, pelas características da tecnologia, não está prevista sua aplicação em veículos elétricos.

Para chegar ao mercado, a tecnologia precisa ser licenciada por empresas interessadas em dar continuidade ao seu desenvolvimento e criar soluções de armazenamento de energia. A Agência de Inovação Inova Unicamp conecta essa e outras pesquisas e tecnologias a empresas e instituições interessadas em licenciá-la. O contato inicial com a Inova deve ser feito por meio de um formulário de conexão disponível no site da Agência.