Em 2016, na enorme conferência de energia CERAWeek, em Houston, o cientista de materiais do MIT, Yet-Ming Chiang, viu-se a conversar com um executivo da Tesla sobre um problema espinhoso: como armazenar a produção de painéis solares e turbinas eólicas durante longos períodos.        

Chiang, professor de Ciência e Engenharia de Materiais da Kyocera, e Mateo Jaramillo, vice-presidente da Tesla, sabiam que as concessionárias não tinham uma maneira econômica de armazenar energia renovável para cobrir os níveis de pico de demanda e preencher as lacunas durante dias sem vento e nublados. Eles também sabiam que a escassez de matérias-primas utilizadas em dispositivos convencionais de armazenamento de energia precisava de ser abordada se as energias renováveis algum dia substituíssem os combustíveis fósseis na rede em grande escala.

As tecnologias de armazenamento de energia podem facilitar o acesso a fontes de energia renováveis, aumentar a estabilidade e a fiabilidade das redes elétricas e, em última análise, acelerar a descarbonização da rede. Espera-se que o mercado global para estes sistemas – essencialmente baterias grandes – cresça tremendamente nos próximos anos. Um estudo realizado pela organização sem fins lucrativos LDES (Long Duration Energy Storage) Council estima o mercado de armazenamento de energia de longa duração entre 80 e 140 terawatts-hora até 2040. “Esse é um número realmente grande”, observa Chiang. “Cada 10 pessoas no planeta precisarão de acesso ao equivalente a uma bateria de EV [veículo elétrico] para atender às suas necessidades energéticas.”

Em 2017, um ano depois de se conhecerem em Houston, Chiang e Jaramillo uniram forças para cofundar a Form Energy em Somerville, Massachusetts, com os graduados do MIT Marco Ferrara SM '06, PhD '08 e William Woodford PhD '13, e veterano em armazenamento de energia Ted Wiley.

“Há um mercado crescente para o armazenamento de energia elétrica porque queremos alcançar a descarbonização da forma mais rápida e econômica possível”, afirma Ferrara, vice-presidente sênior da Form responsável por software e análise.

Os investidores concordaram. Nos próximos seis anos, a Form Energy levantaria mais de US$ 800 milhões em capital de risco.

A bateria mais simples consiste em um ânodo, um cátodo e um eletrólito. Durante a descarga, com a ajuda do eletrólito, os elétrons fluem do ânodo negativo para o cátodo positivo. Durante a carga, a tensão externa inverte o processo. O ânodo torna-se o terminal positivo, o cátodo torna-se o terminal negativo e os elétrons voltam para onde começaram. Os materiais usados para o ânodo, cátodo e eletrólito determinam o peso, a potência e o “direito” de custo da bateria, que é o custo total no nível do componente.

Durante as décadas de 1980 e 1990, o uso de baterias de lítio revolucionou, tornando-as menores, mais leves e capazes de reter carga por mais tempo. Os dispositivos de armazenamento que a Form Energy desenvolveu são baterias recarregáveis à base de ferro, que apresentam diversas vantagens em relação ao lítio. Um grande problema é o custo.

Certa vez, Chiang declarou ao Clube do MIT do Norte da Califórnia: “Eu adoro íons de lítio”. Duas das quatro subsidiárias do MIT fundadas por Chiang concentram-se em baterias inovadoras de íons de lítio. Mas, custando centenas de dólares por quilowatt-hora (kWh) e com uma capacidade de armazenamento normalmente medida em horas, o íon-lítio não era adequado para o uso que ele tinha agora em mente.

A abordagem que Chiang imaginou tinha de ser suficientemente rentável para aumentar a atratividade das energias renováveis. Tornar a energia solar e eólica suficientemente fiável para milhões de clientes significava armazená-la durante tempo suficiente para preencher as lacunas criadas por condições meteorológicas extremas, interrupções da rede e quando há uma calmaria no vento ou alguns dias de nuvens.

Para ser competitivo com as centrais eléctricas antigas, o método de Chiang tinha de custar cerca de 20 dólares por quilowatt-hora de energia armazenada – um décimo do custo do armazenamento de baterias de ions de lítio.

Mas como fazer a transição de baterias caras que armazenam e descarregam em algumas horas para alguma tecnologia ainda indefinida, barata e de maior duração?

É aí que entra Ferrara. Ferrara tem doutorado em engenharia nuclear pelo MIT e doutorado em engenharia elétrica e ciência da computação pela Universidade de L'Aquila, em sua Itália natal. Em 2017, como pesquisador afiliado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT, ele trabalhou com Chiang para modelar a necessidade da rede de gerenciar a intermitência das energias renováveis.

O quão intermitente depende de onde você está. Nos Estados Unidos, por exemplo, existem as ventosas Grandes Planícies; os desertos ensolarados e com ventos relativamente fracos do Arizona, Novo México e Nevada; e o frequentemente nublado noroeste do Pacífico.

Ferrara, em colaboração com a professora Jessika Trancik do Instituto de Dados, Sistemas e Sociedade do MIT e sua equipe do MIT, modelou quatro locais representativos nos Estados Unidos e concluiu que o armazenamento de energia com capacidade custa menos de aproximadamente US$ 20/kWh e durações de descarga de vários dias permitiria que uma combinação eólica-solar fornecesse eletricidade firme e com custos competitivos em locais com recursos abundantes.

Agora que tinham um prazo, voltaram sua atenção para os materiais. Na faixa de preço que a Form Energy almejava, o lítio estava fora de questão. Chiang olhou para o enxofre abundante e barato. Mas uma bateria de enxofre, sódio, água e ar apresentava desafios técnicos.

Thomas Edison já usou ferro como eletrodo, e as baterias ferro-ar foram estudadas pela primeira vez na década de 1960. Eles eram pesados ??demais para serem boas baterias de transporte. Mas desta vez, Chiang e sua equipe estavam olhando para uma bateria que estava no chão, então o peso não importava. Suas prioridades eram custo e disponibilidade.

“O ferro é produzido, extraído e processado em todos os continentes”, diz Chiang. “A Terra é uma grande bola de ferro. Nunca precisaríamos nos preocupar nem mesmo com as projeções mais ambiciosas de quanto armazenamento o mundo poderá usar até meados do século.” Se a Form algum dia entrar no mercado residencial, “será a bateria mais segura que você já estacionou em sua casa”, ri Chiang. “Apenas ferro, ar e água.”

Os cientistas chamam isso de ferrugem reversível. Durante a descarga, a bateria absorve oxigênio e converte o ferro em ferrugem. A aplicação de uma corrente elétrica converte os pellets enferrujados novamente em ferro, e a bateria “expira” oxigênio à medida que carrega. “Em termos químicos, você tem ferro, e ele se transforma em hidróxido de ferro”, diz Chiang. “Isso significa que os elétrons foram extraídos. Você faz com que esses elétrons passem pelo circuito externo e agora você tem uma bateria.”

Os módulos de bateria da Form Energy são aproximadamente do tamanho de uma unidade de lavadora e secadora. Eles são empilhados em contêineres de 40 pés, e vários contêineres são conectados eletricamente com sistemas de conversão de energia para construir instalações de armazenamento que podem cobrir vários hectares.

Os módulos não se parecem nem agem como nada que as concessionárias tenham contratado antes.

Esse é um dos principais desafios do Form. “Não há conhecimento generalizado da necessidade destas novas ferramentas para redes descarbonizadas”, diz Ferrara. “Essa não é a forma como as concessionárias normalmente planejam. Eles estão analisando todas as ferramentas do kit de ferramentas que existem hoje, que podem não contemplar um ativo de armazenamento de energia para vários dias.”

Os clientes da Form Energy são, em grande parte, empresas de energia tradicionais que buscam expandir seus portfólios de eletricidade renovável. Algumas estão em processo de desmantelamento de centrais a carvão e de mudança para energias renováveis.

A investigação de Ferrara que identifica a necessidade de armazenamento de vários dias a um custo muito baixo fornece dados importantes para os fornecedores de energia que procuram determinar a forma mais econômica de integrar mais energia renovável.

Utilizando as mesmas técnicas de modelação, Ferrara e a sua equipa mostram aos potenciais clientes como a tecnologia se adapta ao seu sistema existente, como compete com outras tecnologias e como, em alguns casos, pode funcionar sinergicamente com outras tecnologias de armazenamento.

“Eles podem precisar de um portfólio de tecnologias de armazenamento para equilibrar totalmente as energias renováveis em diferentes escalas de tempo de intermitência”, diz ele. Mas, além da tecnologia desenvolvida na Form, “não há muita coisa por aí, certamente não dentro do custo aceitável do que estamos trazendo para o mercado”. Graças ao encontro casual de Chiang e Jaramillo em Houston, a Form tem vários anos de vantagem sobre outras empresas que trabalham para enfrentar este desafio. 

Em junho de 2023, a Form Energy fechou seu maior acordo até o momento para um único projeto: o pedido da Georgia Power para um sistema de 15 megawatts/1.500 megawatts-hora. Esse pedido eleva a quantidade total de armazenamento de energia da Form sob contratos com clientes de serviços públicos para 40 megawatts/4 gigawatts-hora. Para atender à demanda, a Form está construindo uma nova fábrica de baterias em escala comercial na Virgínia Ocidental.

O fato de a Form Energy estar a criar empregos numa área que perdeu mais de 10.000 empregos siderúrgicos na última década não passa despercebido a Chiang. “E esses novos empregos estão em tecnologia limpa. É muito emocionante para mim fazer algo que beneficia comunidades fora dos nossos centros tecnológicos tradicionais.

“Este é o momento certo por vários motivos”, diz Chiang. Ele diz que ele e seus cofundadores da Form Energy sentem “uma enorme urgência em lançar essas baterias para o mundo”.