Numa bancada de laboratório em Cambridge, no estado americano de Massachusetts, há uma pilha de cilindros de concreto preto polido, entrelaçados por cabos, sendo banhados por um líquido. Para um observador comum, não parece ter muita função. Até Damian Stefaniuk apertar um botão. Os blocos de concreto são conectados a um diodo emissor de luz (LED) — e a lâmpada acende.
“No começo, não acreditei”, diz Stefaniuk, descrevendo a primeira vez que a luz LED acendeu. “Achei que não tinha desconectado a fonte de alimentação externa e é por isso que o LED estava aceso.”
“Foi um dia maravilhoso. Convidamos os alunos e eu convidei os professores para ver, porque no início eles também não acreditaram que daria certo.”
O motivo de tanto entusiasmo? Este pedaço de concreto escuro e inócuo pode representar o futuro do armazenamento de alimentos. energia.
A promessa da maioria das fontes de energia renovável ??é o suprimento inesgotável de energia limpa, aquela que nos é dada pelo Sol, pelo vento e pela água.
Porém, o sol nem sempre brilha, o vento nem sempre sopra e a água nem sempre está disponível em abundância. Isto significa que são fontes de energia intermitentes, o que representa um problema no nosso mundo moderno, sedento de energia.
Isso significa que precisamos armazenar essa energia em baterias. Mas as baterias dependem de materiais como o lítio, cuja oferta é muito menor do que seria provavelmente necessária para satisfazer a procura gerada pelo esforço global para descarbonizar os seus sistemas de energia e transporte.
Existem 101 minas de lítio no mundo e os analistas económicos estão pessimistas quanto à capacidade destas minas de acompanhar a crescente procura global.
Analistas ambientais observam que a mineração de lítio utiliza muita energia e água, o que compromete os benefícios ambientais da mudança para fontes de energia renováveis. Os processos envolvidos na extração de lítio também podem, às vezes, levar ao vazamento de produtos químicos tóxicos no abastecimento de água local.
Embora tenham sido descobertas novas reservas de lítio, a oferta limitada deste material, a dependência excessiva de apenas um punhado de minas em todo o mundo e o seu impacto ambiental impulsionaram a busca por materiais alternativos para baterias.
É aqui que entram Stefaniuk e seu concreto. Ele e seus colegas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) descobriram uma maneira de criar um dispositivo de armazenamento de energia conhecido como supercapacitor a partir de três materiais básicos e baratos: água, cimento e uma substância semelhante à fuligem, chamada negro de fumo ou negro de fumo.
Os supercapacitores são altamente eficientes no armazenamento de energia, mas diferem das baterias em alguns aspectos importantes. Elas podem recarregar muito mais rápido do que uma bateria de íons de lítio e não sofrem os mesmos níveis de degradação no desempenho. Mas os supercapacitores também libertam rapidamente a energia que armazenam, tornando-os menos úteis em dispositivos como telemóveis, computadores portáteis ou carros elétricos, onde é necessário um fornecimento constante de energia durante um longo período de tempo.
No entanto, segundo Stefaniuk, estes supercapacitores poderiam contribuir significativamente para os esforços de descarbonização da economia global. “Se puder ser ampliada, esta tecnologia poderá ajudar a resolver uma questão importante: o armazenamento de energia renovável”, diz ele.
Ele e seus colegas pesquisadores do MIT e do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard, também nos EUA, vislumbram uma série de aplicações para seus supercapacitores.
Uma delas poderia ser criar estradas que armazenem energia solar e depois liberá-la para recarregar carros elétricos sem fio à medida que passam pela estrada. A rápida liberação de energia do supercapacitor de cimento-carbono permitiria que os veículos carregassem rapidamente suas baterias.
Outra aplicação seriam fundações internas que armazenam energia.
“Ter paredes, fundações ou colunas que atuem não apenas para sustentar uma estrutura, mas também para armazenar energia dentro delas”, diz Stefaniuk.
Mas ainda é cedo. Por enquanto, o supercapacitor de concreto é capaz de armazenar pouco menos de 300 watts-hora por metro cúbico – o suficiente para alimentar uma lâmpada LED de 10 watts por 30 horas.
A “saída de energia” pode parecer baixa em comparação com baterias convencionais, [mas] uma fundação com 30 a 40 metros cúbicos de concreto pode ser suficiente para atender às necessidades energéticas diárias de uma casa residencial”, explica Stefaniuk.
“Dado o uso generalizado de concreto em todo o mundo, este material tem potencial para ser altamente competitivo e útil no armazenamento de energia”.
Stefaniuk e seus colegas do MIT provaram inicialmente esse conceito criando supercapacitores de 1 volt do tamanho de uma moeda a partir do material, antes de conectá-los em série para alimentar um LED de 3 volts. Desde então, eles aumentaram para produzir um supercapacitor de 12 volts. Stefaniuk também conseguiu usar versões maiores do supercapacitor para alimentar um console de videogame portátil.
E a equipe de pesquisa planeja agora construir versões maiores, incluindo uma de até 45 metros cúbicos, que seria capaz de armazenar cerca de 10 kWh de energia, o que seria suficiente para abastecer uma casa por um dia.
O supercapacitor funciona devido a uma propriedade incomum do negro de fumo – é altamente condutivo. Isso significa que quando o material é combinado com pó de cimento e água, forma-se uma espécie de concreto preenchido com redes de material condutor, assumindo um formato que lembra minúsculas raízes ramificadas.
Os capacitores são constituídos por duas placas condutoras com uma membrana entre elas. Neste caso, ambas as placas são feitas de cimento de negro de fumo, que foi embebido em um sal eletrolítico chamado cloreto de potássio.
Quando uma corrente elétrica foi aplicada às placas embebidas em sal, as placas carregadas positivamente acumularam íons de cloreto de potássio carregados negativamente. E como a membrana impedia a troca de íons carregados entre as placas, a separação das cargas criava um campo elétrico.
Como os supercapacitores podem acumular grandes quantidades de carga muito rapidamente, isso poderia tornar os dispositivos úteis para armazenar o excesso de energia produzida por fontes renováveis intermitentes, como a energia eólica e solar.
Isto reduziria a pressão sobre a rede de abastecimento de energia nos momentos em que o vento não sopra e o sol não brilha. Como diz Stefaniuk: “Um exemplo simples seria uma casa fora da rede, alimentada por painéis solares: utilizando energia solar diretamente durante o dia, e energia armazenada nas fundações, por exemplo, à noite”.
Os supercapacitores não são perfeitos. As versões existentes descarregam rapidamente e não são ideais para produção constante, que seria necessária para abastecer uma casa ao longo do dia. Stefaniuk diz que ele e seus colegas estão trabalhando em uma solução que lhes permitiria refinar sua versão de cimento de carbono ajustando a mistura, mas só divulgarão os detalhes depois de terminarem os testes e publicarem um artigo.
Pode haver outros obstáculos a superar – adicionar mais negro de fumo permite que o supercapacitor resultante armazene mais energia, mas também torna o concreto um pouco mais quebradiço. Os pesquisadores afirmam que seria necessário encontrar a combinação ideal de negro de fumo para qualquer uso que envolva função estrutural, bem como armazenamento de energia.
E embora os supercapacitores de cimento-carbono possam ajudar a reduzir a nossa dependência do lítio, eles têm o seu próprio impacto ambiental. A A produção de cimento é responsável por 5% a 8% das emissões de dióxido de carbono da actividade humana em todo o mundo, e o cimento de carbono necessário para os supercapacitores teria de ser fabricado no local, em vez de ser reutilizado a partir de estruturas existentes.
No entanto, parece ser uma inovação promissora, diz Michael Short, que dirige o Centro de Engenharia Sustentável da Universidade Teesside, no Reino Unido. A pesquisa, segundo ele, “abre muitos caminhos possíveis e interessantes em torno do uso do próprio ambiente construído como meio de armazenamento de energia”.
“Como os materiais também são comuns e o fabrico relativamente simples, isto fornece uma grande indicação de que esta abordagem deve ser investigada mais aprofundadamente e pode ser potencialmente uma parte muito útil da transição para um futuro mais limpo e sustentável.”
Mas serão necessárias mais pesquisas para migrar tudo isso do laboratório para o mundo real.
“Novas descobertas são frequentemente problemáticas quando se considera a mudança de uma pequena escala laboratorial para uma implementação mais ampla em maior escala e volume. Isso pode ser devido a complexidades na fabricação, escassez de recursos ou, às vezes, à física ou química subjacentes. Propriedades desejáveis que ocorrem em escalas menores podem ser reduzidas ou mesmo desaparecer quando são feitas tentativas para aumentá-las.”
Mas pode haver uma forma de resolver o problema ambiental do cimento, acrescenta Short. Seus colegas da Universidade de Teesside já estão trabalhando em um cimento de baixa emissão feito de produtos derivados das indústrias siderúrgica e química.
Projetos como o cimento de baixas emissões e o betão para armazenamento de energia levantam a perspetiva de um futuro em que os nossos escritórios, estradas e casas desempenharão um papel significativo num mundo movido por energia limpa.
Leia o versão original deste relatório (em inglês) no site Futuro da BBC.
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