Tecnologia Científica

Para resolver a mudança climática, devemos lidar com o calor
Quase todo o uso de energia no mundo envolve calor, desde a fabricação de aço até a refrigeração de alimentos. A descarbonização profunda sem avanços na ciência e engenharia térmica parece inconcebível.
Por Mark Golden - 12/08/2020


A energia solar e eólica é uma parte importante da solução do problema da mudança climática, mas essas tecnologias renováveis ​​por conta própria provavelmente nunca fornecerão a energia para muitos processos industriais, como a fabricação de aço.

Aproximadamente 90 por cento do uso de energia mundial envolve a geração ou manipulação de calor, incluindo o resfriamento de edifícios e alimentos. Manter as economias modernas e melhorar a vida nas economias em desenvolvimento e, ao mesmo tempo, mitigar as mudanças climáticas exigirá cinco grandes avanços na forma como convertemos, armazenamos e transmitimos energia térmica, de acordo com um novo artigo da Nature Energy da Universidade de Stanford, Instituto de Tecnologia de Massachusetts e Laboratório Nacional Lawrence Berkeley .

“As tecnologias renováveis ​​modernas são a fonte de eletricidade mais barata que temos hoje, mas a energia solar e eólica são intermitentes e representam uma pequena porcentagem da energia mundial”, disse Arun Majumdar , um dos três coautores e professor de mecânica de Stanford Engenharia. “Precisamos aumentar esse percentual, mas também devemos descarbonizar o calor e usar o calor para armazenar eletricidade solar e eólica.”

A análise ressalta a necessidade urgente de pesquisar e desenvolver avanços na tecnologia térmica que potencialmente poderiam reduzir as emissões de gases de efeito estufa em pelo menos um gigaton, o que é cerca de 3 por cento das emissões anuais de gases de efeito estufa em todo o mundo.

“Nós, como espécie, estamos nos arriscando com a infraestrutura que erguemos para melhorar nossa qualidade de vida”, disse o coautor Asegun Henry , professor associado de engenharia mecânica do MIT. “Existem alguns casos na história em que cientistas e engenheiros se uniram e alcançaram algo notável em um período de tempo muito curto. Deve ser um desses momentos. ”

Calor como armazenamento de energia

Um grande desafio na engenharia térmica é armazenar o excesso de energia eólica e solar como energia térmica durante vários dias e depois convertê-la de volta em eletricidade quando necessário. A descarbonização total da eletricidade reduziria as emissões globais de gases do efeito estufa em cerca de um quarto. Obter 70 por cento ou mais de nossa eletricidade de fontes renováveis ​​intermitentes exigirá grandes adições de armazenamento de eletricidade. A expansão da tecnologia atual mais comum, o armazenamento hidrelétrico bombeado, é limitada pela geografia, e as baterias de íon-lítio são muito caras para armazenar o excesso de energia renovável durante vários dias.

“A principal vantagem do armazenamento de energia térmica é seu potencial de baixo custo em grande escala”, disse o coautor Ravi Prasher , diretor de laboratório associado para tecnologias de energia do Lawrence Berkeley National Laboratory.

“Embora seja relativamente fácil converter eletricidade em calor”, Prasher explicou, “o principal desafio para o armazenamento de energia térmica é a grande penalidade de eficiência ao converter calor de volta em eletricidade”.

Várias tecnologias de armazenamento de energia térmica em grande escala ainda estão em desenvolvimento, então tecnologias concorrentes que usam outros materiais e mecanismos de armazenamento térmico devem continuar a ser exploradas, concluem os pesquisadores.

“Mesmo que a eficiência de ida e volta talvez seja de apenas 50 a 60 por cento, o custo pode estar dentro da faixa necessária de menos de US $ 10 por quilowatt-hora”, disse Majumdar, que também é codiretor do Precourt Institute for Energy de Stanford .

Indústria e refrigeração

Outro grande desafio é gerar o calor extremo necessário nos processos industriais, como fazer cimento, aço, alumínio e hidrogênio. As emissões de GEE no setor industrial representam mais de 15% das emissões globais, a maioria das quais está associada ao fornecimento de calor a temperaturas de 100 a 1.000 graus Celsius (212 a 1.832 graus Fahrenheit).


Ferro sendo fundido em um forno de usina siderúrgica a 1.500
graus Celsius (2.732 graus Fahrenheit).
(Crédito da imagem: Eugen Nosko)

Com a rápida redução do custo da eletricidade renovável e do hidrogênio potencialmente livre de GEE, o setor industrial pode ser descarbonizado usando aquecedores resistivos ou combustores de hidrogênio, de acordo com a análise. Desafios significativos de ciência e engenharia, no entanto, ainda permanecem. Para eletricidade renovável intermitente, tanto o armazenamento barato de alta temperatura quanto os fornos de baixo fator de capacidade precisam ser desenvolvidos.

Um terceiro grande desafio está no lado oposto do calor do espectro térmico: a refrigeração. O objetivo é inventar refrigerantes para alimentos e ar-condicionado sem o atual vazamento de hidrofluorocarbonos, um conjunto de gases de efeito estufa extremamente poderosos. Novos refrigerantes bem-sucedidos devem ser não inflamáveis, não tóxicos e acessíveis, bem como soluções preferenciais para os sistemas atuais, disse Majumdar.

“Com o aumento da refrigeração e refrigeração nas economias emergentes, este é um grande desafio”, disse Henry.

Em muitas economias em desenvolvimento, a crescente demanda por ar condicionado envolve a redução da umidade e da temperatura, portanto, novos refrigerantes também terão que fazer isso, disse Prasher. Alternativamente, novas tecnologias podem ser desenvolvidas para desacoplar a desumidificação do resfriamento.

Edifícios e transporte de calor

O aquecimento do espaço e da água em edifícios residenciais e comerciais são responsáveis ​​por mais de 6% das emissões de GEE dos EUA. Novos materiais de construção que podem conduzir e bloquear o calor - sob demanda - são necessários para reduzir a energia para aquecimento e resfriamento. A capacidade de controlar a condutância térmica na estrutura de um edifício pode economizar de 10 a 40 por cento das emissões de GEE, então isso representa outro desafio digno de ser enfrentado, dizem os pesquisadores.

Por último, um desafio particularmente grande é desenvolver a capacidade de transmitir calor por longas distâncias com pouca perda de energia. Hoje, isso é feito com vapor, mas não na escala ou distância necessária. O objetivo aqui é desenvolver o equivalente de calor de uma linha de energia elétrica - um método eficaz para transportar calor em grande escala em megawatts usando equipamentos e materiais mínimos. A descoberta de um supercondutor térmico poderia permitir isso, mas a praticidade de implantá-lo em grande escala não é clara. Outra possibilidade de pesquisa, de acordo com os pesquisadores, é descobrir novos fluidos bombeáveis ​​com reações químicas reversíveis para transmitir energia na forma química, em vez de térmica.

“A descarbonização profunda sem avanços na ciência e engenharia térmica parece inconcebível, mas a atenção dos pesquisadores e financiadores não refletiu isso”, disse Majumdar. “Esperamos que esta análise seja um apelo à ação para a comunidade mais ampla de P&D.”

 

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