Há mais de 200 anos, a caldeira a vapor ajudou a impulsionar a Revolução Industrial. Desde então, o vapor tem sido a força vital da atividade industrial em todo o mundo. Hoje, a produção de vapor — criado pela queima de gás, petróleo ou carvão para ferver água — representa uma porcentagem significativa do consumo global de energia na indústria, alimentando a produção de papel, produtos químicos, produtos farmacêuticos, alimentos e muito mais.

Agora, a startup AtmosZero, fundada por Addison Stark SM '10, PhD '14; Todd Bandhauer; e Ashwin Salvi, está adotando uma nova abordagem para eletrificar a caldeira a vapor, um equipamento secular. A empresa desenvolveu uma bomba de calor modular capaz de fornecer vapor industrial a temperaturas de até 150 graus Celsius, servindo como substituta direta para caldeiras de combustão.

A empresa afirma que seu primeiro sistema de vapor de 1 megawatt é muito mais barato de operar do que as soluções elétricas disponíveis comercialmente, graças à tecnologia de compressor ultraeficiente, que utiliza 50% menos eletricidade do que as caldeiras elétricas resistivas. Os fundadores esperam que isso seja suficiente para que as caldeiras a vapor descarbonizadas impulsionem a próxima revolução industrial.

“O vapor é o fluido de trabalho mais importante de todos os tempos”, afirma Stark, CEO da AtmosZero. “Hoje, tudo é construído em torno da disponibilidade ubíqua do vapor. Eletrificar isso de forma economicamente viável exige inovação que possa ser escalável. Em outras palavras, exige um produto produzido em massa — não projetos isolados.”

Stark ingressou no Programa de Tecnologia e Políticas Públicas quando chegou ao MIT em 2007. Ele acabou concluindo um mestrado duplo, adicionando engenharia mecânica aos seus estudos.

“Eu tinha interesse na transição energética e em acelerar as soluções para viabilizá-la”, diz Stark. “A transição não acontece isoladamente. É preciso alinhar economia, políticas públicas e tecnologia para impulsionar essa mudança.”

Stark permaneceu no MIT para obter seu doutorado em engenharia mecânica, estudando biocombustíveis termoquímicos.

Após o MIT, Stark começou a trabalhar em tecnologias energéticas em estágio inicial com a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada em Energia (ARPA-E) do Departamento de Energia, com foco em eficiência de fabricação, a relação entre energia e água e eletrificação.

“Parte desse trabalho envolveu aplicar meu treinamento no MIT a coisas que não tinham sido realmente inovadas nos últimos 50 anos”, diz Stark. “Eu estava analisando o trocador de calor. É algo tão fundamental. Pensei: 'Como poderíamos reinventá-lo no contexto dos avanços modernos na tecnologia de fabricação?'”

O problema é tão complexo quanto impactante, afetando praticamente todos os setores da economia industrial global. Mais de 2,2 gigatoneladas de emissões de CO2 são geradas anualmente para transformar água em vapor — o que representa mais de 5% das emissões globais relacionadas à energia.

Em 2020, Stark foi coautor de um artigo na revista Joule com Gregory Thiel SM '12, PhD '15 intitulado " Para descarbonizar a indústria, precisamos descarbonizar o aquecimento ". O artigo examinou as oportunidades para a descarbonização do aquecimento industrial e despertou o interesse de Stark no potencial impacto de uma bomba de calor elétrica padronizada e escalável.

A maioria das opções de caldeiras elétricas disponíveis hoje em dia acarreta aumentos consideráveis nos custos operacionais. Muitas também utilizam o calor residual de fábricas, o que exige reformas caras. Stark jamais imaginou que se tornaria um empreendedor, mas logo percebeu que ninguém iria agir por ele com base em suas descobertas.

Stark fez parceria com Todd Bandhauer, ex-beneficiário de uma bolsa da ARPA-E, que vinha desenvolvendo uma nova tecnologia de compressores de refrigerante em seu laboratório na Universidade Estadual do Colorado, e com Ashwin Salvi, também ex-colega da ARPA-E. A equipe fundou oficialmente a AtmosZero em 2022.

“O compressor é o motor da bomba de calor e define a eficiência, o custo e o desempenho”, diz Stark. “O principal desafio no fornecimento de calor é que, quanto mais a bomba de calor eleva a temperatura do ar, menor é a sua eficiência máxima. Ela esbarra em limitações termodinâmicas. Ao projetar para otimizar a eficiência nas faixas operacionais relevantes para os refrigerantes que utilizamos, e com a fabricação precisa de nossos compressores, conseguimos maximizar os estágios individuais de compressão para maximizar a eficiência operacional.”

O sistema pode funcionar com calor residual do ar ou da água, mas não precisa necessariamente de calor residual para operar. Muitas outras caldeiras elétricas dependem de calor residual, mas Stark acredita que isso adiciona muita complexidade à instalação e à operação.

Em vez disso, no inovador ciclo de bomba de calor da AtmosZero, o calor do ar à temperatura ambiente é usado para aquecer um material líquido de transferência de calor, que evapora um refrigerante, permitindo que ele flua para a série de compressores e trocadores de calor do sistema, atingindo temperaturas suficientemente altas para ferver água, enquanto recupera o calor do refrigerante quando este atinge temperaturas mais baixas. O sistema pode ser ajustado para funcionar de forma integrada aos processos industriais existentes.

“Podemos funcionar exatamente como uma caldeira de combustão”, diz Stark. “No fim das contas, os clientes não querem mudar a forma como suas instalações de produção operam para eletrificá-las. Não é possível alterar ou aumentar a complexidade no local.”

Essa abordagem significa que a caldeira pode ser implantada em diversos contextos industriais sem custos de projeto específicos ou outras alterações.

“O que realmente oferecemos é flexibilidade e algo que pode ser instalado com facilidade, minimizando os custos totais de capital”, diz Stark.

A AtmosZero já possui um sistema piloto de 650 quilowatts em operação nas instalações de um cliente próximo à sua sede em Loveland, Colorado. Atualmente, a empresa está focada em demonstrar a durabilidade e a confiabilidade do sistema durante todo o ano, enquanto trabalha para aumentar sua carteira de pedidos e se prepara para expandir a produção. 

Stark afirma que, uma vez que o sistema é levado às instalações do cliente, ele pode ser instalado em uma tarde e implementado em questão de dias, sem qualquer tempo de inatividade.

A AtmosZero pretende entregar algumas unidades aos clientes nos próximos um ou dois anos, com planos de implantar centenas de unidades por ano posteriormente. A empresa está atualmente focando em fábricas que utilizam menos de 10 megawatts de energia térmica em pico de demanda, o que representa a maioria das instalações de produção nos EUA.

Stark se orgulha de fazer parte de um grupo crescente de startups de descarbonização afiliadas ao MIT, algumas das quais têm como alvo setores específicos, como a Boston Metal para aço e a Sublime Systems para cimento. Mas ele afirma que, além dos materiais mais comuns, o setor se torna muito fragmentado, sendo um dos únicos elementos em comum o uso de vapor.

“Se analisarmos os diversos segmentos industriais, veremos a onipresença do vapor”, afirma Stark. “É uma oportunidade extremamente promissora para gerar impacto em larga escala. O vapor não pode ser removido da indústria. Grande parte de todos os processos industriais que desenvolvemos nos últimos 160 anos depende da disponibilidade de vapor. Portanto, precisamos nos concentrar em maneiras de fornecer vapor com baixas emissões, em vez de eliminá-lo da equação.”