As baterias térmicas podem armazenar energia de forma eficiente na forma de calor. No entanto, sua construção exige um sistema cuidadosamente projetado com materiais capazes de suportar ciclos de temperaturas extremamente altas, sem sofrer problemas como corrosão, dilatação térmica e fadiga estrutural.

Muitos sistemas de baterias térmicas movimentam gás em alta temperatura ou sal fundido através de tubos de metal. A Fourth Power, fundada pelo professor do MIT Asegun Henry (SM '06, PhD '09), está invertendo esses materiais, usando metal fundido para transportar o calor, que é armazenado em blocos de carbono. A abordagem de Henry lhe rendeu um recorde mundial do Guinness pela bomba de líquido mais quente em 2017 — importante porque, quando se dobra a temperatura absoluta de um material, a ponto de ele brilhar em branco incandescente, a quantidade de luz que ele emite não apenas dobra, mas aumenta 16 vezes (ou seja, à quarta potência).

A empresa está aproveitando toda essa luz com células termofotovoltaicas, que funcionam como células solares para converter luz em eletricidade. Henry e seus colaboradores bateram outro recorde ao demonstrarem uma versão laboratorial de uma célula termofotovoltaica capaz de converter luz em eletricidade com uma eficiência superior a 40%.

A Fourth Power está trabalhando para usar essas inovações recordistas para fornecer energia para redes elétricas, geradores de energia e empresas de tecnologia que constroem infraestrutura com alto consumo de energia, como data centers. Henry afirma que as baterias podem fornecer de 10 a mais de 100 horas de eletricidade a um custo de armazenamento significativamente menor do que o das baterias de íon-lítio em escala de rede. A empresa está atualmente testando cada seção de seu sistema em temperaturas operacionais relevantes — que são quase metade da temperatura do sol — e planeja ter uma unidade de demonstração totalmente integrada em operação ainda este ano.

“Explicar por que nosso sistema representa uma melhoria tão significativa em relação a todos os outros se concentra na densidade de potência”, explica Henry, que atua como diretor de tecnologia da Fourth Power. “Percebemos que, ao aumentar a temperatura, transferimos calor a uma taxa maior e reduzimos o tamanho do sistema. Consequentemente, tudo fica mais barato. É por isso que buscamos temperaturas tão elevadas na Fourth Power. Operamos nossa bateria térmica entre 1.900 e 2.400 graus Celsius, o que nos permite economizar uma quantia considerável nos custos do sistema como um todo.”

Henry obteve seu mestrado e doutorado no MIT antes de trabalhar como professor na Georgia Tech e no MIT. Como professor em ambas as instituições, sua pesquisa tem se concentrado em transporte térmico, armazenamento, energia renovável e outras tecnologias que podem levar a melhorias na sustentabilidade e descarbonização. Atualmente, ele é o Professor George N. Hatsopoulos de Termodinâmica no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT.

Os sistemas de transferência de calor geralmente são feitos de metais como ferro e níquel. Em geral, quanto maior a temperatura desejada, mais caro é o metal. Henry percebeu que a cerâmica pode atingir temperaturas muito mais altas do que os metais, mas não é usada com tanta frequência. Ele começou a se perguntar por quê.

Após receber financiamento do Departamento de Energia, Henry passou anos desenvolvendo uma bomba feita de cerâmica e grafite (um material semelhante à cerâmica). Em 2017, sua bomba estabeleceu o recorde de temperatura operacional mais alta já registrada para uma bomba de líquidos, atingindo 1.200 graus Celsius. A bomba utilizava estanho líquido incandescente como combustível. Ele escolheu o estanho porque este não reage com o carbono, eliminando a corrosão. Além disso, o estanho possui um ponto de fusão relativamente baixo e um ponto de ebulição alto, o que o mantém líquido em uma ampla faixa de temperatura.

“A ideia era: em vez de construir o sistema com metal, vamos usar metais líquidos”, diz Henry.

O desafio, então, passou a ser o de projetar o sistema.

“Normalmente, um engenheiro mecânico criaria um projeto e diria: 'Me dê os melhores materiais para fazer isso'”, diz Henry. “Nós invertemos o problema, então dissemos: 'Sabemos quais materiais funcionarão, agora precisamos descobrir como criar um sistema a partir deles'.”

Em 2023, Henry conheceu Arvin Ganesan, que anteriormente liderava a área de energia global na Apple. Inicialmente, Ganesan não estava interessado em se juntar a uma startup — ele tinha dois filhos pequenos e queria priorizar sua família —, mas ficou intrigado com o potencial da tecnologia. No primeiro encontro, os dois se conectaram por compartilharem valores e a paternidade, e Henry surpreendeu Ganesan ao levar seus próprios filhos pequenos.

“Eu tinha a sensação de que essa tecnologia tinha o potencial de enfrentar simultaneamente as crises gêmeas da acessibilidade e das mudanças climáticas”, diz Ganesan, atual CEO da Fourth Power. “À medida que a demanda por energia se torna mais acentuada, precisamos ou implantar tecnologias mais robustas e avançadas, o que também é importante, ou aprimorar as tecnologias existentes. A Fourth Power está tentando simplificar os princípios da física e da termodinâmica para oferecer uma abordagem que já foi muito bem estudada e estudada há bastante tempo.”

O sistema projetado pela Fourth Power capta o excesso de eletricidade de fontes como a rede elétrica e a utiliza para aquecer uma série de blocos de grafite de 1,8 metro de comprimento e 50 centímetros de espessura até que atinjam cerca de 2.400 graus Celsius. Nesse ponto, o sistema é considerado totalmente carregado.

Quando o cliente deseja a eletricidade de volta, os tijolos são usados para aquecer estanho líquido, que flui através de uma série de tubos de grafite, bombas e medidores de vazão até células termofotovoltaicas, que convertem a luz da infraestrutura incandescente de volta em eletricidade.

“Basicamente, você pode mergulhar as células na luz e obter energia, ou pode retirá-las e desligar o sistema”, explica Henry. “O metal líquido começa a 2.400 graus Celsius e depois esfria à medida que percorre o sistema, pois está cedendo grande parte de sua energia para a célula fotovoltaica, e então circula de volta pelos blocos de grafite, que atuam como uma fornalha, para recuperar mais calor.”

Ainda este ano, a Fourth Power planeja ativar um sistema de 1 megawatt-hora em sua nova sede em Bedford, Massachusetts. Um sistema em escala real ofereceria 25 megawatts de potência e 250 megawatts-hora de armazenamento, ocupando uma área equivalente a cerca de metade de um campo de futebol americano.

“A maioria das tecnologias de armazenamento que você vê por aí tem uma densidade de potência de cerca de 10 megawatts por acre ou menos”, explica Henry. “A Fourth Power chega a 100 megawatts por acre. É uma tecnologia com altíssima densidade energética.”

As unidades de geração e armazenamento de energia do sistema da Fourth Power são modulares, o que permitirá aos clientes começar com um sistema menor e adicionar unidades de armazenamento posteriormente para ampliar a capacidade de armazenamento. A empresa prevê uma perda de cerca de 1% do calor total armazenado por dia.

“Os clientes podem comprar um módulo de armazenamento e um módulo de energia, o que resulta em uma bateria com duração de 10 horas”, explica Henry. “Mas se quiserem um módulo de energia e dois módulos de armazenamento, a bateria terá duração de 20 horas. Os clientes podem combinar os módulos, o que é realmente vantajoso para as concessionárias de energia à medida que as energias renováveis se expandem e as necessidades de armazenamento mudam.”

No futuro, o sistema também poderá funcionar como uma central elétrica, convertendo combustível em eletricidade ou usando combustível para carregar suas baterias durante períodos com pouco vento ou sol. Também poderá ser usado para fornecer calor industrial.

Mas, por enquanto, a Fourth Power está focada na aplicação em baterias.

“As empresas de serviços públicos precisam de algo barato e confiável”, diz Henry. “A única tecnologia que conseguiu atender a pelo menos um desses requisitos é a de íon-lítio. Mas o mundo está esperando por algo muito mais barato que o íon-lítio e tão confiável quanto, ou até melhor. É nisso que estamos focados em demonstrar ao mundo.”