Startup suíça cria baterias de concreto para armazenar energia

Ao empilhar os blocos de concreto, a energia cinética de deixá-los cair produz energia em momentos de necessidade.

Graças à moderna rede elétrica, você tem acesso à eletricidade sempre que quiser. Mas a grade só funciona quando a eletricidade é gerada nas mesmas quantidades em que é consumida. Dito isso, é impossível manter o equilíbrio certo o tempo todo. Assim, os operadores tornam as redes mais flexíveis, adicionando maneiras de armazenar o excesso de eletricidade para quando a produção cai ou o consumo aumenta.

Cerca de 96% da capacidade de armazenamento de energia do mundo vem na forma de uma tecnologia: a usina hidrelétrica bombeada. Sempre que a geração excede a demanda, o excesso de eletricidade é usado para bombear água para uma represa. Quando a demanda excede a geração, essa água pode cair – graças à gravidade – e a energia potencial transforma as turbinas em eletricidade.

Mas o armazenamento de hidrocarbonetos bombeados requer determinadas geografias, com acesso a água e a reservatórios em diferentes altitudes. É a razão pela qual cerca de três quartos de todo o armazenamento hidrelétrico bombeado foi construído em apenas 10 países. O problema é que o mundo precisa adicionar muito mais armazenamento de energia, se quisermos continuar a adicionar a energia solar e eólica intermitente necessária para reduzir nossa dependência de combustíveis fósseis.

Uma startup chamada Energy Vault acha que tem uma alternativa viável à hidro-bomba: em vez de usar água e barragens, a startup usa blocos de concreto e guindastes. Ele vem operando em modo furtivo até hoje (18 de agosto), quando sua existência será anunciada no Kent Presents, um festival de idéias em Connecticut.

Em uma manhã quente de julho, viajei para Biasca, na Suíça, cerca de duas horas ao norte de Milão, na Itália, onde a Energy Vault construiu uma fábrica de demonstração, cerca de um décimo do tamanho de uma operação em grande escala. A coisa toda – da idéia até uma unidade funcional – levou cerca de nove meses e menos de US $ 2 milhões para ser realizada. Se esse tipo de inovação de baixa tecnologia e baixo custo puder ajudar a resolver apenas algumas partes do enorme problema de armazenamento de energia, talvez a transição de energia que o mundo precisa não seja tão difícil, afinal.

Plano concreto

A ciência subjacente à tecnologia do Energy Vault é simples. Quando você ergue alguma coisa contra a gravidade, armazena energia nela. Quando você mais tarde deixa cair, você pode recuperar essa energia. Como o concreto é muito mais denso que a água, levantar um bloco de concreto requer – e pode, portanto, armazenar – muito mais energia do que um tanque de água de tamanho igual.

Bill Gross, um empresário americano de longa data, e Andrea Pedretti, um inventor suíço em série, desenvolveram o sistema Energy Vault, que aplica essa ciência. Veja como funciona: um guindaste de 120 metros (quase 400 pés) de altura e seis braços fica no meio. No estado de descarga, cilindros de concreto pesando 35 toneladas métricas estão empilhados ao redor do guindaste, bem abaixo dos braços do guindaste. Quando há excesso de energia solar ou eólica, um algoritmo de computador direciona um ou mais braços de guindaste para localizar um bloco de concreto, com a ajuda de uma câmera acoplada ao carrinho do braço do guindaste.

Simulação de uma usina de depósito de energia em larga escala.
Uma vez que o braço do guindaste localiza e engancha em um bloco de concreto, um motor é acionado pelo excesso de eletricidade na grade e levanta o bloco do chão. O vento pode fazer o bloco se mover como um pêndulo, mas o carrinho do guindaste é programado para contrabalançar o movimento. Como resultado, ele pode levantar o bloco suavemente e colocá-lo em cima de outra pilha de blocos – mais acima do chão.

O sistema está “totalmente carregado” quando o guindaste criou uma torre de blocos de concreto em torno dele. A energia total que pode ser armazenada na torre é de 20 megawatts-hora (MWh), o suficiente para abastecer 2.000 residências suíças por um dia inteiro.

Quando a grade está fraca, os motores retornam à ação – exceto que agora, em vez de consumir eletricidade, o motor é acionado ao contrário pela energia gravitacional e, portanto, gera eletricidade.

Plano concreto

Uma ciência subjacente à tecnologia do Energy Vault é simples. Quando você ergue alguma coisa contra a gravidade, armazena a energia nela. Quando você mais gosta de cair, você pode recuperar essa energia. Como o concreto é muito mais denso que a água, levantar um bloco de concreto é necessário – e pode, portanto, armazenar – muito mais do que um tanque de água de um tamanho igual.

Bill Gross, um empresário americano de longa data, e Andrea Pedretti, um inventor suíço em série, desenvolve o sistema Energy Vault, que implanta essa ciência. Veja como funciona: um guindaste de 120 metros (quase 400 pés) de altura e seis braços fica no meio. Nenhum estado de descarga, cilindros de concreto pesando 35 toneladas métricas são empilhadas ao redor do guindaste, bem abaixo dos braços do guindaste. Quando há excesso de energia solar ou eólica, um algoritmo de computador direciona-se a um guindaste superior para a localização de um bloco de concreto, com uma ajuda de uma câmera acoplada ao braço do guindaste.

Uma vez que o guindaste localiza e engancha em um bloco de concreto, um motor é acionado pelo excesso de eletricidade na grade e levanta o bloco do chão. O vento pode fazer o bloco se mover como um pêndulo, mas o carrinho do guindaste é programado para contrabalançar o movimento. Como resultado, ele pode levantar o bloco e colocar em cima de outra pilha de blocos – mais acima do chão.

O sistema está “totalmente carregado” quando o guindaste criou uma torre de blocos de concreto em torno dele. A energia total que pode ser armazenada é de 20 megawatts-hora (MWh), o suficiente para abastecer 2.000 residências suíças por um dia inteiro.

Quando um grau está fraco, os motores retornam à ação – agora que agora, em vez de consumir eletricidade, o motor é acionado ao mesmo tempo pela energia gravitacional e, portanto, gera eletricidade.

O Energy Vault é um direito que nos torna mais do que um hardware comercial pronto para uso. Surpreendentemente, os blocos de concreto podem ser uma das partes mais importantes da energia. The energy is very cheap box, digamos, uma bateria de íons de lítio, mas o Energy Vault é uma instalação de construção de blocos de 35 toneladas métricas.

O grande salto

A inovação na fábrica da Energy Vault não é o hardware. Os guindastes e motores existem há décadas, e empresas como a ABB e a Siemens as otimizaram para obter eficiência máxima. A eficiência de ida e volta do sistema, que é a quantidade de energia recuperada para cada unidade de energia usada para elevar os blocos, é de cerca de 85% – comparável às baterias de íons de lítio que oferecem até 90%.

O principal trabalho de Pedretti como diretor de tecnologia foi descobrir como projetar software para automatizar operações contextualmente relevantes, como enganchar e soltar blocos de concreto, e contrabalançar movimentos semelhantes a pêndulos durante o levantamento e abaixamento desses blocos.

O Energy Vault mantém os custos baixos porque usa hardware comercial pronto para uso. Surpreendentemente, os blocos de concreto poderiam provar ser a parte mais cara da torre de energia. O concreto é muito mais barato do que, digamos, uma bateria de íons de lítio, mas o Energy Vault precisaria de muito concreto para construir centenas de blocos de 35 toneladas métricas.

Então Pedretti encontrou outra solução. Ele desenvolveu uma máquina que pode misturar substâncias que as cidades geralmente pagam para se livrar, como cascalho ou resíduos de construção, junto com cimento para criar blocos de concreto de baixo custo. A economia de custos vem de ter que usar apenas um sexto da quantidade de cimento que seria necessária se o concreto fosse usado na construção civil.

O desafio do armazenamento

A fábrica de demonstração que vi em Biasca é muito menor do que a versão comercial planejada. Tem um guindaste de 20 metros de altura, de braço único, que eleva blocos com peso de 500 kg cada. Mas faz quase todas as coisas que seu primo em grande escala, que a empresa está procurando ativamente vender agora, faria.

Robert Piconi passou este verão visitando países da África e da Ásia. O CEO da Energy Vault está animado para encontrar clientes para suas fábricas nessas partes do mundo. A startup também tem uma equipe de vendas nos EUA e agora tem pedidos para construir suas primeiras unidades comerciais no início de 2019. A empresa não compartilhará detalhes desses pedidos, mas as características únicas de sua solução de armazenamento de energia significam que podemos fazer um palpite bastante educado sobre como serão os projetos.

Os especialistas em armazenamento de energia classificam amplamente o armazenamento de energia em três grupos, diferenciados pela quantidade de armazenamento de energia necessária e pelo custo de armazenamento dessa energia.

Primeiro, tecnologias caras, como baterias de íons de lítio, podem ser usadas para armazenar algumas horas de energia – na faixa de dezenas ou centenas de MWh. Estes podem ser carregados durante o dia, usando painéis solares, por exemplo, e depois descarregados quando o sol não está por perto. Mas as baterias de íons de lítio para a rede elétrica custam atualmente entre US $ 280 e US $ 350 por kWh.

Tecnologias mais baratas, como baterias de fluxo (que usam produtos químicos de alta energia para armazenar energia) podem ser usadas para armazenar semanas de energia – na faixa de centenas ou milhares de MWh. Essa segunda categoria de armazenamento de energia poderia ser usada, por exemplo, quando há uma pausa no fornecimento de energia por uma ou duas semanas.

A terceira categoria ainda não existe. Em teoria, tecnologias ainda a ser inventadas e extremamente baratas poderiam armazenar meses de energia – na faixa de dezenas ou centenas de milhares de MWh – que seriam usadas para lidar com demandas inter-temporais. Por exemplo, Mumbai atinge o pico de consumo no verão, quando os aparelhos de ar-condicionado estão em plena explosão, enquanto Londres picos nos invernos por causa do aquecimento doméstico. Idealmente, a energia capturada em uma temporada pode ser armazenada por meses durante as temporadas de baixa utilização e depois implantada mais tarde nas estações de alta utilização.

David contra Golias

Piconi estima que, quando a Energy Vault construir sua 10ª usina de 35 MWh, poderá reduzir os custos para cerca de US $ 150 por kWh. Isso significa que ele não pode atender às necessidades da terceira categoria de uso de armazenamento de energia; para fazer isso, os custos teriam que estar próximos de US $ 10 por kWh. Em teoria, na atual capacidade e preço, poderia competir na segunda categoria – se pudesse encontrar um cliente que desejasse que o Energy Vault construísse dezenas de fábricas para uma única rede. Realisticamente, a melhor aposta do Energy Vault é competir na primeira categoria.

Dito isso, alguns especialistas disseram a Quartz que o custo das baterias de lítio-íon, a atual tecnologia dominante das baterias, poderia cair para cerca de US $ 100 por kWh, o que as tornaria mais baratas até do que o Energy Vault quando se trata de armazenar dias ou semanas de energia. . E como as baterias são compactas, elas podem ser transportadas a grandes distâncias. A maioria das baterias de íons de lítio nos smartphones usados ​​em todo o mundo, por exemplo, são fabricadas no leste da Ásia. Os blocos de concreto da Energy Vault terão que ser construídos no local, e cada sistema de 35 MWh precisaria de um pedaço de terra circular de aproximadamente 100 metros (300 pés) de diâmetro. As baterias precisam de uma fração desse espaço para armazenar a mesma quantidade de energia.

As baterias têm algumas limitações. A vida útil máxima das baterias de íons de lítio, por exemplo, é de 20 anos ou mais. Eles também perdem a capacidade de armazenar energia ao longo do tempo. E ainda não existem maneiras confiáveis ​​de reciclar baterias de íon lítio.

A fábrica da Energy Vault pode operar por 30 anos com pouca manutenção e quase sem perda de capacidade. Seus blocos de concreto também usam materiais residuais. Então, Piconi está confiante de que ainda há um nicho que o Energy Vault pode preencher: lugares que têm acesso abundante a terras e materiais de construção, combinados com o desejo de ter tecnologias de armazenamento que durem décadas sem perder a capacidade.

Enquanto isso, se o Energy Vault for bem-sucedido ou não, ele faz um forte argumento para o argumento de que, enquanto todo mundo está procurando inovações futuristas de baterias de alta tecnologia, pode haver um valor real em como aplicar soluções de baixa tecnologia aos problemas do século XXI. O Energy Vault construiu uma fábrica de testes funcional em apenas nove meses, gastando tostões relativos. É um sinal de que algumas das respostas aos nossos problemas de armazenamento de energia ainda podem estar escondidas à vista.

Confire os vídeos explicativos (em inglês) da Energy Vault.

E este, com uma animação 3D do projeto.

Com informações da Energy Vault

Sobre o autor