Resumo executivo
- O armazenamento de energia térmica captura o excedente de energia na forma de calor ou frio usando materiais como sais fundidos, materiais de mudança de fase (PCMs) ou rochas aquecidas, liberando-a quando necessário. Diversas análises técnico-econômicas e de ciclo de vida indicam que essa tecnologia apresenta custos mais baixos e menor impacto ambiental do que muitas tecnologias de armazenamento de energia renovável amplamente utilizadas, com maior eficiência energética e densidade de energia do que alternativas mecânicas ou químicas.
- Os meios de armazenamento dividem-se em três categorias principais. Materiais de calor sensível, como água, rocha, concreto, tijolos, cerâmicas, grafite e sais fundidos, armazenam calor por meio de sua capacidade térmica específica. Materiais de mudança de fase, como parafina, hidratos de sal, ácidos graxos e polietilenoglicol, armazenam calor por meio de transições entre os estados sólido e líquido. Materiais termoquímicos, como zeólitas, hidretos metálicos e hidróxidos, armazenam calor por meio de reações químicas reversíveis.
- Tanto as publicações em periódicos quanto as patentes cresceram de forma constante nos últimos 20 anos, com uma aceleração notável desde 2019. A análise de conceitos da CAS Content Collection mostra o crescimento mais rápido em torno de PCMs, coletores solares, bombas de calor, microencapsulamento, alcanos, parafina e polioxialquilenos, além do uso de grafite, cobre, grafeno e alumínio para aumentar a condutividade térmica de compósitos.
- O armazenamento de energia térmica está atingindo a implementação comercial em diversos casos de uso, incluindo o corte de picos em ar-condicionado, baterias térmicas industriais que atingem até 1.800 °C, geração de eletricidade a partir de usinas solares concentradas e aquecimento e resfriamento de edifícios via PCMs em materiais de construção. Outras aplicações emergentes incluem dessalinização sustentável, tecidos inteligentes e usos biomédicos, como terapia fototérmica e administração de medicamentos.
Fontes de energia renovável, como a eólica e a solar, são cruciais para reduzir as emissões. No entanto, para aproveitar totalmente essas fontes, o excesso de energia deve ser armazenado para que esteja disponível quando o vento não sopra ou o sol não brilha. O armazenamento de energia em baterias cresceu para atender a essa necessidade, mas e se houvesse outros métodos econômicos e energeticamente eficientes?
O armazenamento de energia térmica é um desses métodos e diversas análises, incluindo análises técnico-econômicas e de ciclo de vida, indicam que o armazenamento de energia térmica tem custos mais baixos e menor impacto ambiental em comparação com muitas tecnologias de armazenamento de energia renovável amplamente utilizadas. Além disso, a eficiência energética e a densidade de energia dos sistemas de armazenamento de energia térmica são superiores às de muitas outras tecnologias comuns de armazenamento de energia, como o armazenamento mecânico e químico.
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O armazenamento de energia térmica oferece o benefício distinto de gerenciar temperaturas dentro de edifícios — um processo que se torna mais importante a cada ano à medida que as temperaturas sobem e as ondas de calor se tornam mais severas. Esses sistemas capturam calor durante o dia e o liberam passivamente à noite, conforme as temperaturas caem. Essencialmente, o armazenamento de energia térmica de fontes renováveis pode manter os edifícios resfriados sem adicionar mais emissões atmosféricas, quebrando assim o ciclo de feedback negativo do uso de mais aparelhos de ar-condicionado alimentados por fontes de combustíveis fósseis.
Dados esses benefícios e a urgência de atingir emissões líquidas zero até 2050, conforme estipulado pelo Acordo de Paris de 2015, analisamos a CAS Content CollectionTM, o maior repositório de informações científicas com curadoria humana, para entender como essa tecnologia está se desenvolvendo. Descobrimos que conceitos-chave eram recorrentes na literatura, sugerindo que mais avanços poderiam ocorrer na interseção dessas ideias.
Como funciona o armazenamento de energia térmica
O armazenamento de energia térmica captura e armazena energia na forma de calor usando materiais como sais fundidos, materiais de mudança de fase (PCMs) ou rochas aquecidas para posterior conversão de volta em eletricidade. Baterias térmicas, também conhecidas como sistemas de armazenamento de energia térmica, são tecnologias inovadoras que capturam e armazenam o excedente de energia térmica, seja calor ou frio, para uso futuro.
Ao aproveitar materiais e processos especializados que podem absorver, armazenar e liberar energia térmica conforme a necessidade, esses sistemas desempenham um papel vital na otimização da eficiência e confiabilidade energética. Isso é valioso para reduzir as emissões industriais, pois o calor armazenado pode ser usado diretamente em processos industriais de alta temperatura ou para criar vapor para alimentar esses processos.
Existem inúmeros tipos de materiais que podem armazenar energia térmica, como visto na Tabela 1:
Tabela 1: Tipos e exemplos de materiais de armazenamento de energia térmica.
As tendências de publicação mostram amplas oportunidades
Como a tecnologia de armazenamento de energia térmica está evoluindo e ela está próxima de uma comercialização em larga escala? Nossa análise da CAS Content Collection revela não apenas um crescimento acentuado nas publicações relacionadas ao armazenamento de energia térmica, mas também inúmeros conceitos correlatos que indicam onde é provável que ocorram avanços.
Observamos um crescimento constante e consistente tanto em periódicos quanto em patentes nos últimos 20 anos (veja a Figura 1).
O crescimento tem sido notável desde 2019, e o aumento contínuo no número de patentes mostra que essas tecnologias estão atingindo a viabilidade comercial.
Aprofundamos nossa análise mapeando o número de publicações em seções temáticas específicas da CAS Content Collection, o que demonstra a ampla aplicabilidade do armazenamento de energia térmica em diversos campos (veja a Figura 2).
Como esperado, a maioria das publicações está relacionada à seção temática da CAS sobre tecnologia de energia eletroquímica, radiante e térmica, seguida por outras seções compreensivelmente relacionadas, como operações e processos unitários, aparelhos e termodinâmica. A seção temática sobre concreto e outros materiais de construção possui muitas publicações, que abordam principalmente a incorporação de PCMs para melhorar a eficiência energética das edificações. O concreto contendo PCMs absorve o calor durante o dia, quando as temperaturas externas estão altas, protegendo o interior das altas temperaturas e liberando o calor quando as temperaturas externas estão mais baixas.
Encontramos um número notável de publicações em seções temáticas relacionadas à energia, como aplicações em energia eólica e solar para equilibrar a oferta e a demanda. O armazenamento de energia térmica também pode ajudar na transição da energia nuclear, permitindo que ela deixe de ser apenas uma fonte de carga básica tradicional e se torne adaptável a demandas variáveis de energia.
O número de publicações relacionadas à água mostra que o armazenamento de energia térmica também apresenta oportunidades na dessalinização sustentável, disponível durante todo o dia e em qualquer condição climática. Ao armazenar e fornecer consistentemente a energia térmica gerada pela energia solar, esses sistemas podem impulsionar a evaporação de águas salinas.
Alguns dos tópicos mais singulares com publicações sobre armazenamento de energia térmica envolvem diversos materiais. A seção temática sobre metais não ferrosos e ligas possui um número considerável de publicações devido ao uso desses materiais na construção de sistemas de armazenamento de energia térmica, e alguns estudos também relataram seu uso como PCMs.
Tópicos relacionados à fabricação e processamento de plásticos também aparecem em inúmeras publicações, provavelmente devido à variedade de polímeros contendo composições de PCM que se mostraram eficazes em aplicações de armazenamento de energia térmica. Têxteis e fibras também se destacam, onde materiais de armazenamento de energia térmica são usados para criar tecidos inteligentes e tecidos termocrômicos.
As capacidades de armazenamento de energia térmica dos PCMs são até mesmo úteis para diversas aplicações biomédicas, como terapia fototérmica, entrega direcionada de medicamentos e produtos farmacêuticos.
A coocorrência de conceitos une materiais e usos
Outra forma de avaliar a interseção de ideias e identificar onde as inovações podem ocorrer é examinar a coocorrência de pares de conceitos. Analisamos esses pares e seu crescimento nos últimos anos, abrangendo o período de 2022-2024 (veja a Figura 3).
A Figura 3A mostra os 10 principais pares de conceitos com maior crescimento. PCMs, coletores de energia solar e bombas de calor são alguns dos conceitos que cresceram significativamente. A microencapsulação, uma técnica usada para aumentar a condutividade térmica e evitar a reatividade dos PCMs com os materiais circundantes, destaca-se devido ao alto número de publicações e à taxa de crescimento. Essa técnica tem sido usada para melhorar a eficiência geral dos processos de armazenamento de energia térmica.
Refinamos ainda mais os pares de conceitos de alto crescimento analisando combinações de conceitos de classe de substância e conceitos de aplicação/uso/processo, e os 10 principais pares desse tipo são mostrados na Figura 3B.
Alcanos, parafina e polioxialquilenos estão entre as classes de substâncias que mais cresceram nos últimos anos. Em seguida, aparecem conceitos como microcápsulas e compósitos. Como a cera de parafina é frequentemente encapsulada para formar microcápsulas visando melhorar sua estabilidade e ciclabilidade, observamos que esses conceitos tiveram um alto crescimento. Alcanos, outro tópico de grande interesse, são frequentemente combinados com materiais como polímeros, várias formas de carbono e materiais inorgânicos para melhorar a condutividade térmica, evitar vazamentos e proporcionar estabilidade química.
A Figura 3C mostra pares de conceitos de alto crescimento formados por conceitos de classe de substância e conceitos de propriedade. Além dos sais fundidos, as classes de substâncias de alto crescimento são semelhantes às encontradas na Figura 3B. As propriedades frequentemente associadas a elas são espectros de infravermelho (IV), estrutura superficial, entalpia, solidificação e energia solar.
A relação tensão-deformação de PCMs, como os polioxialquilenos, é frequentemente estudada para identificar sua integridade estrutural e otimizar o desempenho. Espectros de IV frequentemente coocorrem com PCMs devido ao seu uso no estudo da estrutura química, transições de fase e estabilidade térmica desses materiais.
Também examinamos a coocorrência de substâncias e seu uso (veja a Figura 4).
O grafite é uma das substâncias mais utilizadas em PCMs. Compósitos contendo grafite e PCMs são usados para melhorar o desempenho do armazenamento de energia térmica devido à alta condutividade térmica e à estrutura porosa do grafite.
Assim como o grafite, o cobre, o grafeno e o alumínio também são combinados com PCMs para melhorar sua condutividade térmica. Compósitos contendo polietilenoglicol também estão entre os materiais de mudança de fase mais relatados. Essas coocorrências indicam quais materiais já desempenham papéis fundamentais no armazenamento de energia térmica e quais podem valer a pena explorar mais a fundo.
Soluções de armazenamento de energia térmica chegam ao mercado
Muitas empresas já estão comercializando soluções de energia térmica para diversas aplicações. Como vimos com o crescimento das patentes, isso mostra como a tecnologia está se tornando viável. Alguns exemplos notáveis incluem:
- Peak shaving: A Ice Energy fornece soluções de ar-condicionado baseadas em energia térmica para evitar o consumo de eletricidade quando os preços estão altos. A Sunamp, por sua vez, usa energia solar ou eletricidade da rede fora do horário de pico para alimentar soluções de água quente.
- Energia industrial: A Electrified Thermal Solutions fabrica baterias térmicas que armazenam eletricidade renovável na forma de calor e, em seguida, fornecem um suprimento consistente de calor de até 1800 °C para uso industrial.
- Geração de eletricidade: Várias empresas estão usando o calor da energia solar concentrada para produzir vapor, que é então usado para gerar eletricidade. O excesso de calor é armazenado usando sais fundidos para produzir eletricidade quando a luz solar não está disponível.
- Aquecimento e resfriamento de edifícios: A Microtek usa PCMs em materiais de construção para armazenar e liberar calor dentro dos ambientes, reduzindo assim o consumo de energia.
Outra ferramenta na caixa de ferramentas
Reduzir as emissões e alcançar o net-zero, mantendo a atividade econômica e o conforto humano, exigirá inúmeras soluções inovadoras. O armazenamento de energia térmica é uma opção valiosa em combinação com a energia renovável e a eficiência energética. Nossa análise da CAS Content Collection mostra que o interesse nessa tecnologia está crescendo e os conceitos de pesquisa estão convergindo em torno de materiais, substâncias e usos importantes. À medida que mais inovações são trazidas ao mercado, o armazenamento de energia térmica certamente se tornará uma parte consistente de nossos esforços para mitigar os efeitos das mudanças climáticas.
