O desafio de como fornecer energia estável durante todo o ano a partir de energia renovável durante a mudança das estações e condições climáticas variáveis. A resposta aninhada na usina de Vatajankoski, 270 km (168 milhas) a noroeste da capital da Finlândia, Helsinque, é notavelmente simples, abundante e barata: areia.
A usina de Vatajankoski abriga a primeira bateria de areia em escala comercial do mundo. Totalmente fechada em um contêiner de aço de 7 m (23 pés) de altura, a bateria consiste em 100 toneladas de areia de construção de baixa qualidade, dois tubos de aquecimento urbano e um ventilador. A areia torna-se uma bateria depois de aquecida a 600°C usando a eletricidade gerada por turbinas eólicas e painéis solares na Finlândia, trazida por Vatajankoski, os proprietários da usina.
A energia renovável alimenta um aquecedor de resistência que aquece o ar dentro da areia. Dentro da bateria, esse ar quente é circulado por um ventilador ao redor da areia através de tubos de troca de calor.
O isolamento espesso envolve a areia, mantendo a temperatura dentro da bateria em 600C (1.112F), mesmo quando está congelando do lado de fora. "Não queremos perder calor; a temperatura média do inverno está abaixo de 0C (32F) em Kankanpää", diz Ville Kivioja, cientista-chefe da Polar Night Energy, que monitora o desempenho da bateria online.
A bateria armazena 8 MWh de energia térmica quando cheia. Quando a demanda de energia aumenta, a bateria descarrega cerca de 200 kW de energia através dos tubos de troca de calor: isso é suficiente para fornecer aquecimento e água quente para cerca de 100 residências e uma piscina pública em Kankaanpää, complementando a energia da rede. A bateria é carregada durante a noite quando os preços da eletricidade são mais baixos.
É um sistema de baixa manutenção, diz Kivioja. A empresa usa areia barata e de baixa qualidade que foi rejeitada pelos construtores em vez de areia de rio de alta qualidade que é usada em grandes quantidades para construção, levando a uma escassez global .
"Não há desgaste nos tubos [de troca de calor] e na areia. O ventilador é a única parte móvel e é fácil de substituir, se necessário", diz Kivioja.
A areia é um meio muito eficaz para reter o calor por um longo período , armazenando energia por meses a fio. E há outros benefícios também. "A areia tem uma vida útil muito longa: pode aquecer e esfriar várias vezes", diz Kivioja. "Ela ficará mais densa depois de um tempo, então precisa de menos espaço. Nesse ponto, podemos adicionar mais areia."
Mas como exatamente a bateria se destaca em termos de desempenho em comparação com outras baterias, em particular sua contraparte eletroquímica: baterias de íons de lítio?
Um grande problema com as baterias de íons de lítio , que usamos para alimentar nossos laptops, telefones e veículos elétricos, é que elas se degradam continuamente , mesmo quando não estão em uso, diz Pongrácz. “Não há reação química nas baterias de areia para que elas não passem por um processo semelhante de envelhecimento”, diz Pongrácz.
As baterias de lítio não são adequadas para aplicações de armazenamento em grande escala, diz Yulong Ding, diretor do Centro de Armazenamento de Energia de Birmingham no Reino Unido, acrescentando que elas também são inerentemente inflamáveis.
Depois, há as preocupações ambientais. "O lítio tem um impacto ambiental muito maior do que a areia", diz Pongrácz. Para cada tonelada de lítio refinado produzida, o equivalente a cerca de três a nove toneladas de CO2 é emitido, dependendo de como é extraído.
Mas a equipe da Polar Night Energy enfrenta alguns grandes desafios: eles podem ampliar sua tecnologia para realmente fazer a diferença e podem usá-la para gerar quantidades significativas de eletricidade além de calor?
É claro que existem limitações, observam os especialistas. "Uma bateria de areia armazena de cinco a 10 vezes menos energia [por unidade de volume] do que as baterias químicas tradicionais", diz Dan Gladwin, do departamento de engenharia eletrônica e elétrica da Universidade de Sheffield, no Reino Unido.
A equipe da Polar Night Energy reconhece isso, mas argumenta que uma bateria de areia é uma solução muito mais econômica. A equipe calculou que sua bateria é oito a 10 vezes mais barata que uma bateria de lítio que armazena a mesma quantidade de energia. Gerar 8 MWh de energia usando a bateria de areia Kankaanpää custa cerca de US$ 200.000 (£ 174.000), diz Eronen. Uma bateria de íons de lítio armazenando 8 MWh de energia custaria pelo menos US$ 1.600.000 (£ 1.391.000), diz ele.
Gladwin diz que a bateria de areia é ótima para aquecer casas em países de clima frio, mas alerta que a eficiência cai quando é usada para devolver energia à rede elétrica.
"Para torná-lo mais amplamente utilizável, eles precisariam desenvolver uma maneira de converter o calor da bateria de volta em eletricidade com 75-80% de eficiência. Isso faria com que fosse um divisor de águas", diz ele.
Eronen diz que, com a tecnologia atualmente disponível, o processo de conversão de calor em eletricidade tem apenas uma taxa de eficiência de 30%. Mas ele não vê isso como uma questão importante. "Em um país frio como a Finlândia, estamos despejando 70% do calor que permanece após a conversão nas redes de aquecimento urbano que precisam de fornecimento de calor quase o tempo todo", diz ele.
O próximo passo na ampliação da bateria para geração de eletricidade é adicionar uma turbina para converter o calor de volta à rede. "Em alguns anos, teremos um sistema de trabalho para fazer exatamente isso", diz Eronen.
A Polar Night Energy está em processo de assinatura de um contrato para construir uma segunda bateria para outra empresa de aquecimento urbano na Finlândia.
"Isso é para um sistema significativamente maior: 2 MW em potência de aquecimento e 500 MWh em capacidade de armazenamento. Isso é 10 vezes maior do que o que temos em Kankaanpää", diz Eronen.
No momento, a bateria de areia continua sendo uma solução nórdica no coração, diz Pongrácz. "É muito útil na Finlândia, onde temos invernos frios e precisamos de aquecimento praticamente de setembro a maio, [devido a] uma temperatura média anual abaixo de 10C (50F)", diz ela, acrescentando que metade dos 5,5 milhões de habitantes da Finlândia estão conectados a uma rede de aquecimento urbano.
Mas, em teoria, a solução de armazenamento de energia pode ser replicada em qualquer lugar do mundo onde haja infraestrutura de aquecimento urbano, incluindo Nova York, São Francisco e Copenhague.
"Ele tem muito mais potencial [além] de aquecimento de casas de qualquer maneira", diz a gerente de projetos da empresa, Liisa Naskali. "Quando ampliado, estará disponível para uso em todos os tipos de processos industriais que exigem alta temperatura: padarias, lavanderias [e] siderúrgicas".
Eronen diz que até 2023 a Polar Night Energy pretende ser "uma empresa verdadeiramente global, construindo baterias de areia em todo o mundo". O enorme boom da energia eólica offshore – até 2025 a energia eólica cobrirá 25% do consumo de eletricidade da Finlândia – ajudará a permitir isso, mas ainda há “muito trabalho a fazer”.
"Vamos precisar de enormes capacidades de armazenamento para equilibrar as flutuações na produção", diz ele.
"Algumas indústrias precisam de ar muito quente, 300C (572F), para secar alguma coisa, por exemplo. Agora estamos procurando cooperar com empresas industriais na área de Kankaanpää que usam eletricidade para produzir calor. Ter uma bateria de areia que eles possam carregar durante a noite seria dar-lhes flexibilidade e protegê-los das flutuações de preços", diz ele.
Apontando para as temperaturas extremas, secas e incêndios florestais que engolfam o mundo, os jovens engenheiros finlandeses dizem que não podemos nos dar ao luxo de esperar para mudar para novas tecnologias. "Precisamos tomar decisões corajosas agora para evitar a crise [climática]", diz Kivioja.
"Há muita pressão sobre nós, cientistas e engenheiros, para classificar as mudanças climáticas", diz ele. "Transformo essa pressão em inspiração, assim como fiz quando estava competindo no lançamento de disco. Quando você está em campo, preparando-se para o próximo lançamento, não pode congelar sob pressão. Trago a mesma atitude para o meu trabalho."
Eronen diz que "abrir uma empresa é um pouco como competir no esporte: você quer vencer". Junto com Ylönen, ele escolheu pedalar 170 km (106 milhas) de sua cidade natal de Tampere para participar de uma conferência de energia em Helsinque em 2018. "Todos os outros participantes chegaram de carro ou avião. Isso nos fez pensar: 'nós realmente temos que causar impacto'."
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