Não importa se você está fabricando cimento, aço, produtos químicos ou papel, você precisa de uma grande quantidade de calor. Quase sem exceção, fabricantes ao redor do mundo criam esse calor queimando combustíveis fósseis.

Em um esforço para limpar o setor industrial, algumas startups estão mudando os processos de fabricação para materiais específicos. Algumas estão até mudando os próprios materiais. Daniel Stack SM '17, PhD '21 está tentando abordar as emissões industriais em todos os níveis, substituindo a fonte de calor.

Desde que chegou ao MIT em 2014, Stack tem trabalhado para desenvolver baterias térmicas que usam eletricidade para aquecer uma versão condutiva de tijolos refratários de cerâmica, que têm sido usados como armazenadores de calor e isolantes por séculos. Em 2021, Stack foi cofundador da Electrified Thermal Solutions, que desde então demonstrou que seus tijolos refratários podem armazenar calor de forma eficiente por horas e descarregá-lo aquecendo ar ou gás até 3.272 graus Fahrenheit — quente o suficiente para alimentar as aplicações industriais mais exigentes.

Atingir temperaturas acima de 3.000 F representa um avanço para a indústria de aquecimento elétrico, pois permite que alguns dos setores mais difíceis de descarbonizar do mundo utilizem energia renovável pela primeira vez. Também desbloqueia um novo modelo de baixo custo para usar eletricidade quando ela está mais barata e limpa.

“Temos uma perspectiva global na Electrified Thermal, mas nos EUA, nos últimos cinco anos, vimos uma oportunidade incrível surgir nos preços de energia que favorece a tomada flexível de eletricidade”, diz Stack. “Em todo o centro do país, especialmente no cinturão eólico, os preços da eletricidade em muitos lugares são negativos por mais de 20% do ano, e a tendência de redução do preço da eletricidade durante os horários de menor demanda é um fenômeno nacional. Tecnologias como nossa Joule Hive Thermal Battery nos permitirão acessar essa eletricidade barata e limpa e competir de igual para igual com combustíveis fósseis em preço para necessidades de aquecimento industrial, sem nem mesmo levar em consideração o impacto climático positivo.”

Os planos de pesquisa de Stack mudaram rapidamente quando ele se juntou ao Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear do MIT como aluno de mestrado em 2014.

“Fui para o MIT animado para trabalhar na próxima geração de reatores nucleares, mas o que eu foquei quase desde o primeiro dia foi como aquecer tijolos”, diz Stack. “Não era o que eu esperava, mas quando conversei com meu orientador, [Cientista Pesquisador Principal] Charles Forsberg, sobre armazenamento de energia e por que ele era valioso não apenas para a energia nuclear, mas para toda a transição energética, percebi que não havia nenhum projeto no qual eu preferisse trabalhar.”

Tijolos refratários são tijolos de argila baratos e onipresentes que têm sido usados há milênios em lareiras e fornos. Em 2017, Forsberg e Stack foram coautores de um artigo mostrando o potencial dos tijolos refratários para armazenar calor de recursos renováveis, mas o sistema ainda usava aquecedores de resistência elétrica — como as bobinas de metal em torradeiras e aquecedores de ambiente — o que limitava sua saída de temperatura.

Em seu trabalho de doutorado, Stack trabalhou com Forsberg para fazer tijolos refratários que eram eletricamente condutores, substituindo os aquecedores de resistência para que os tijolos produzissem o calor diretamente.

“Aquecedores elétricos são seu maior limitador: eles queimam muito rápido, quebram, não esquentam o suficiente”, explica Stack. “A ideia era pular os aquecedores porque os tijolos refratários em si são materiais muito baratos e abundantes que podem atingir temperaturas semelhantes às de uma chama e ficar lá por dias.”

Forsberg e Stacks conseguiram criar tijolos refratários condutores ajustando a composição química dos tijolos refratários tradicionais. Os tijolos da Electrified Thermal são 98 por cento similares aos tijolos refratários existentes e são produzidos usando os mesmos processos, permitindo que os fabricantes existentes os façam de forma barata.

Perto do fim do seu programa de doutorado, Stack percebeu que a invenção poderia ser comercializada. Ele começou a ter aulas na MIT Sloan School of Management e a passar um tempo no Martin Trust Center for MIT Entrepreneurship. Ele também entrou no programa StartMIT e no programa I-Corps, e recebeu apoio do Departamento de Energia dos EUA e do Venture Mentoring Service (VMS) do MIT.

“Por meio do ecossistema de Boston, do ecossistema do MIT e com a ajuda do Departamento de Energia, conseguimos lançar isso do laboratório do MIT”, diz Stack. “O que criamos foi um firebrick eletricamente condutor, ou o que chamamos de e-Brick.”

A Electrified Thermal contém seus conjuntos de tijolos refratários em caixas de metal isoladas e prontas para uso. Embora o sistema seja altamente configurável dependendo do uso final, o sistema padrão da empresa pode coletar e liberar cerca de 5 megawatts de energia e armazenar cerca de 25 megawatts-hora.

A empresa demonstrou a capacidade do seu sistema de produzir altas temperaturas e tem feito o ciclo do sistema em sua sede em Medford, Massachusetts. Esse trabalho rendeu coletivamente à Electrified Thermal US$ 40 milhões de vários escritórios do Departamento de Energia para escalar a tecnologia e trabalhar com os fabricantes.

“Comparado a outros aquecedores elétricos, podemos aquecer mais e durar mais do que qualquer outra solução no mercado”, diz Stack. “Isso significa substituir combustíveis fósseis em muitos locais industriais que não poderiam descarbonizar de outra forma.”

A Electrified Thermal está interagindo com centenas de empresas industriais, incluindo fabricantes de cimento, aço, vidro, produtos químicos básicos e especiais, alimentos e bebidas, e celulose e papel.

“O desafio do aquecimento industrial afeta todo mundo sob o sol”, diz Stack. “Todos eles têm fundamentalmente o mesmo problema, que é obter seu calor de uma forma que seja acessível e com zero carbono para a transição energética.”

A empresa está atualmente construindo uma versão comercial de seu sistema em escala de megawatts, que deve estar operacional nos próximos sete meses.

“O ano que vem será uma grande prova para a indústria”, diz Stack. “Usaremos o sistema comercial para mostrar uma variedade de pontos operacionais que os clientes precisam ver, e esperamos estar executando sistemas em sites de clientes até o final do ano. Será uma grande conquista e uma estreia para aquecimento elétrico porque nenhuma outra solução no mercado pode produzir o tipo de temperaturas que nós podemos produzir.”

Ao trabalhar com fabricantes para produzir seus tijolos refratários e revestimentos, a Electrified Thermal espera poder implantar seus sistemas rapidamente e com baixo custo em um setor enorme.

“Desde o início, projetamos esses e-bricks para serem rapidamente escaláveis e rapidamente produtivos dentro das cadeias de suprimentos e processos de fabricação existentes”, diz Stack. “Se você quiser descarbonizar a indústria pesada, não haverá maneira mais barata do que transformar eletricidade em calor a partir de ativos de eletricidade com zero carbono. Estamos buscando ser a principal tecnologia que desbloqueia essas capacidades, com porcentagens de dois dígitos de energia global fluindo por nosso sistema à medida que realizamos a transição energética.”