SAND BATTERIES AS HEAT ACCUMULATOR
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ar10202409171333
José Rogério de Azevedo
Resumo
O avanço tecnológico das últimas décadas tem pressionado o setor industrial a encontrar soluções inovadoras para minimizar suas emissões de carbono e contribuir com as metas globais de mitigação das mudanças climáticas. As baterias de areia surgem como uma tecnologia promissora para o armazenamento de calor, explorando as propriedades térmicas da areia para reter e liberar energia de forma eficaz e sustentável. Esse tipo de tecnologia apresenta um enorme potencial para auxiliar na descarbonização da indústria, particularmente em processos que demandam o uso contínuo de calor em alta escala, como a siderurgia, a produção de vidro e a indústria química. Este artigo faz uma revisão detalhada da literatura sobre a relevância das baterias de areia no contexto da eletrificação industrial e da transição para energias renováveis, oferecendo uma análise comparativa em relação a outras tecnologias de armazenamento térmico. A metodologia envolve uma pesquisa aprofundada sobre a eficiência energética, o impacto ambiental e os custos de implementação dessa tecnologia. Os resultados sugerem que as baterias de areia podem ser integradas a diversos processos industriais, fornecendo uma solução viável e de baixo custo para a redução das emissões de carbono. Conclui-se que, embora a tecnologia apresente um alto potencial, sua adoção em larga escala depende de avanços tecnológicos, investimentos substanciais e políticas públicas que incentivem sua implementação. Além disso, é importante que se desenvolvam novas formas de aplicar essa tecnologia em processos industriais mais amplos, considerando seu impacto socioeconômico e os desafios técnicos que surgem na sua implementação em diferentes escalas produtivas. (250 palavras)
Palavras-chave: Descarbonização. Energia renovável. Armazenamento térmico. Baterias térmicas. Eletrificação industrial.
1. INTRODUÇÃO
1.1 Contextualização
A aceleração das mudanças climáticas, decorrentes principalmente das emissões de gases de efeito estufa, tem demandado soluções urgentes em vários setores da economia, especialmente na indústria. A indústria é responsável por cerca de um quarto das emissões globais de dióxido de carbono (CO2), resultado da queima de combustíveis fósseis em processos que exigem grandes quantidades de calor, como os processos metalúrgicos, a produção de cimento e a indústria química (AGÊNCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA, 2020).
Nesse contexto, torna-se essencial a busca por alternativas que possam substituir o uso de combustíveis fósseis por fontes de energia mais limpas e renováveis. A relevância de encontrar soluções tecnológicas que permitam o armazenamento eficiente de energia térmica e sua liberação controlada surge como uma necessidade premente no contexto da transição para um modelo industrial mais sustentável.
O armazenamento eficiente de energia térmica é uma das principais soluções propostas para garantir o uso contínuo de energias renováveis em processos industriais. Isso ocorre porque as energias renováveis, como a solar e a eólica, são intermitentes e dependem de condições climáticas variáveis, o que pode dificultar o fornecimento de energia de forma constante. Sem um sistema de armazenamento robusto, o uso exclusivo de energias renováveis em processos industriais pode ser inviável em termos operacionais. As baterias térmicas, como as baterias de areia, oferecem uma maneira eficaz de armazenar calor em períodos de alta produção e liberálo conforme a demanda, garantindo uma operação estável e eficiente, mesmo em condições climáticas adversas. A aplicabilidade dessa tecnologia em diferentes contextos industriais, sua viabilidade econômica e as potenciais limitações técnicas ainda estão sendo investigadas, mas já há um consenso sobre seu papel transformador no cenário energético global.
1.2 Problema de Pesquisa
Como as baterias de areia podem contribuir de maneira significativa para a descarbonização industrial, promovendo a eletrificação dos processos térmicos e o uso de fontes renováveis de energia, garantindo, ao mesmo tempo, a viabilidade econômica e a sustentabilidade ambiental desses processos?
1.3 Justificativa
A urgência em reduzir as emissões de carbono no setor industrial é cada vez mais evidente diante das metas globais de sustentabilidade, como as estabelecidas no Acordo de Paris, que visa limitar o aumento da temperatura global a 1,5°C. Tecnologias que oferecem soluções eficientes para o armazenamento de energia térmica são cruciais para alcançar essas metas. As baterias de areia têm se destacado por suas características únicas, como a alta capacidade de armazenamento térmico, o baixo custo da matéria-prima e a sustentabilidade ambiental, uma vez que a areia é um recurso abundante e não tóxico. No entanto, essa tecnologia ainda é pouco explorada em grande escala, o que justifica a necessidade de uma análise aprofundada sobre seu potencial e os desafios para sua implementação. Além disso, o impacto socioeconômico dessa tecnologia, especialmente em países emergentes com uma forte dependência de combustíveis fósseis para a geração de calor industrial, precisa ser explorado em maior profundidade.
1.4 Objetivos
O objetivo principal deste trabalho é analisar o papel das baterias de areia como uma solução viável para o armazenamento de calor em processos industriais, com foco em sua contribuição para a redução das emissões de carbono e na promoção da eletrificação industrial. Os objetivos específicos incluem:
– Realizar uma revisão da literatura sobre as baterias de areia e suas principais características.
– Comparar a eficiência energética das baterias de areia com outras tecnologias de armazenamento térmico.
– Avaliar o impacto ambiental e os custos de implementação das baterias de areia em diferentes contextos industriais.
– Propor recomendações para a adoção em larga escala dessa tecnologia, identificando os principais desafios e oportunidades.
– Investigar as barreiras socioeconômicas e regulatórias que possam afetar a implementação de baterias de areia em indústrias de grande porte.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA OU REVISÃO DA LITERATURA
2.1 Descarbonização Industrial e Eletrificação
A descarbonização da indústria é um dos principais desafios globais na luta contra as mudanças climáticas. A substituição de combustíveis fósseis por fontes de energia renováveis é um caminho essencial para alcançar uma economia de baixo carbono, mas a transição enfrenta desafios, especialmente nos processos industriais que dependem de grandes quantidades de calor. De acordo com a Agência Internacional de Energia (AIE, 2020), a eletrificação de processos térmicos por meio do uso de energia renovável é uma das estratégias mais promissoras para a descarbonização da indústria.
No entanto, a eletrificação enfrenta o desafio da intermitência das fontes de energia renovável. A energia solar, por exemplo, só está disponível durante o dia, e a energia eólica depende da intensidade dos ventos. Portanto, a capacidade de armazenar energia de maneira eficiente e liberá-la conforme a demanda é essencial para garantir que a eletrificação dos processos industriais seja viável. É nesse contexto que o armazenamento térmico, por meio de tecnologias como as baterias de areia, ganha importância. Essas soluções não apenas facilitam a utilização de energia limpa, mas também aumentam a resiliência e a flexibilidade operacional da indústria.
2.2 Armazenamento Térmico: Conceitos e Aplicações
O armazenamento térmico é uma tecnologia que permite armazenar calor gerado a partir de fontes renováveis e utilizá-lo posteriormente em processos industriais que demandam grandes quantidades de energia térmica. Existem várias tecnologias de armazenamento térmico, como as baterias de sal fundido e as pedras térmicas, que utilizam diferentes materiais para reter calor. No entanto, a areia tem se destacado como um meio promissor para o armazenamento de calor devido à sua alta capacidade térmica e abundância. A areia pode ser aquecida a temperaturas superiores a 600°C e manter o calor por longos períodos, liberando-o conforme necessário (LAAKSONEN et al., 2020).
As baterias de areia utilizam a areia como material de armazenamento, aquecendo-a com energia elétrica gerada a partir de fontes renováveis, como a energia solar ou eólica. O calor armazenado pode ser utilizado diretamente em processos industriais ou convertido em eletricidade para outros usos. A principal vantagem dessa tecnologia é sua simplicidade e baixo custo, uma vez que a areia é um recurso abundante e não tóxico. Além disso, devido à sua estabilidade térmica e à ausência de degradação ao longo do tempo, as baterias de areia podem oferecer uma vida útil prolongada, o que as torna competitivas em termos de custos operacionais a longo prazo.
2.3 Baterias de Areia: Funcionamento e Benefícios
O funcionamento das baterias de areia baseia-se na alta capacidade térmica da areia, que permite o armazenamento de grandes quantidades de calor a temperaturas elevadas. A areia é aquecida por meio de resistências elétricas alimentadas por eletricidade gerada a partir de fontes renováveis. O calor armazenado na areia pode ser liberado de maneira controlada para processos industriais que exigem calor constante e de alta qualidade, sopradores de ar quente, produção de vapor e eletricidade usado na produção de aço e vidro. As baterias de areia também podem ser configuradas para diferentes aplicações industriais, variando em tamanho e capacidade, de modo a atender às necessidades específicas de cada processo produtivo.
Os benefícios das baterias de areia incluem:
– Sustentabilidade: A areia é um material abundante, de baixo custo e não tóxico, o que torna o impacto ambiental dessa tecnologia muito menor em comparação com outras tecnologias de armazenamento que utilizam materiais como o lítio. Além disso, a utilização de areia elimina a necessidade de mineração de materiais raros, o que contribui para a preservação de ecossistemas.
– Eficiência Energética: Estudos mostram que as baterias de areia podem alcançar uma eficiência de armazenamento de até 95%, o que as torna extremamente eficazes para a retenção e liberação de calor (IRENA, 2019). Essa eficiência se reflete diretamente em uma redução nos custos de energia, especialmente em processos industriais que exigem operação contínua.
– Viabilidade Econômica: Devido ao baixo custo da areia e à simplicidade do sistema, as baterias de areia podem ser implementadas de maneira econômica, oferecendo uma solução acessível para uma ampla gama de indústrias. Além disso, os baixos custos de manutenção e a longevidade dos sistemas de baterias de areia tornam essa solução competitiva em relação a outras tecnologias, especialmente em indústrias de grande escala que operam em ciclos contínuos de produção.
2.4 Comparação com Outras Tecnologias
No contexto das tecnologias de armazenamento térmico, as baterias de areia se destacam por sua simplicidade operacional e eficiência energética. A tabela abaixo apresenta uma comparação entre as principais tecnologias de armazenamento térmico:
As baterias de sal fundido são amplamente utilizadas em centrais de energia solar concentrada, mas apresentam desafios relacionados à corrosão dos materiais e ao custo relativamente alto de implementação. Já as pedras térmicas são uma opção viável para o armazenamento de calor em menor escala, mas sua eficiência energética é inferior à das baterias de areia. A capacidade de adaptação das baterias de areia a diferentes indústrias e processos, bem como sua flexibilidade em termos de tamanho e capacidade, permite que elas atendam a uma gama mais ampla de aplicações industriais. Dessa forma, as baterias de areia surgem como uma solução multifacetada e com um grande potencial de impacto em diversos setores industriais.
3. METODOLOGIA
3.1 Revisão Bibliográfica
Para a realização deste estudo, foi conduzida uma ampla revisão da literatura sobre as tecnologias de armazenamento térmico, com foco nas baterias de areia. Foram selecionados artigos científicos, relatórios de organizações internacionais, como a Agência Internacional de Energia (AIE) e a International Renewable Energy Agency (IRENA), além de estudos de caso sobre a aplicação dessas tecnologias em contextos industriais. A literatura selecionada inclui também publicações sobre tecnologias emergentes e inovações em armazenamento térmico, com ênfase na eficiência energética e na viabilidade econômica dessas soluções. A análise aprofundada das referências permitiu uma compreensão mais ampla dos desafios e oportunidades associados às baterias de areia, levando em consideração diferentes contextos econômicos e geográficos.
3.2 Coleta e Análise de Dados
Os dados coletados para esta pesquisa foram obtidos a partir de fontes secundárias, incluindo estudos de caso sobre a aplicação de baterias de areia em processos industriais de grande escala. A análise dos dados incluiu a comparação entre diferentes tecnologias de armazenamento térmico, com base em critérios como eficiência energética, impacto ambiental e custo de implementação. Foram utilizadas técnicas de análise comparativa para identificar as principais vantagens e desvantagens de cada tecnologia. Os dados foram processados e organizados em tabelas e gráficos que facilitaram a análise comparativa e a visualização das tendências de uso das baterias de areia em diferentes setores industriais. A aplicação dessas tecnologias foi avaliada em cenários variados, incluindo indústrias de países emergentes, onde a viabilidade econômica é um fator crucial para a adoção de novas tecnologias.
3.3 Critérios de Avaliação
Os critérios utilizados para avaliar as baterias de areia, em comparação com outras soluções de armazenamento térmico, foram:
Eficiência Energética: A capacidade de armazenar e liberar calor de maneira eficiente, minimizando as perdas térmicas.
Custo de Implementação: Incluindo os custos de instalação, operação e manutenção das baterias de areia.
Impacto Ambiental: Avaliando o uso de recursos naturais, emissões de gases de efeito estufa e a sustentabilidade dos materiais utilizados.
Escalabilidade: Analisando a facilidade de implementação em diferentes escalas, desde pequenas instalações industriais até grandes complexos industriais.
Manutenção e Durabilidade: Avaliando os requisitos de manutenção e a durabilidade do sistema ao longo do tempo, considerando o impacto de longos períodos de operação contínua.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES OU ANÁLISE DOS DADOS
4.1 Eficiência Energética das Baterias de Areia
Os resultados da análise indicam que as baterias de areia apresentam uma eficiência energética excepcional, com uma taxa de retenção de calor superior a 90%. Essa alta eficiência é resultado da capacidade da areia de manter calor por longos períodos, mesmo em temperaturas elevadas. A areia pode ser aquecida a mais de 600°C, tornando-a ideal para processos industriais que requerem calor constante e de alta qualidade, como a produção de aço, vidro e cerâmica. Em comparação com outras tecnologias de armazenamento térmico, as baterias de areia apresentam uma vantagem clara em termos de estabilidade térmica e flexibilidade operacional. Além disso, a durabilidade do material garante que as perdas de eficiência ao longo do tempo sejam mínimas, tornando essa tecnologia altamente competitiva em termos de retorno sobre o investimento.
4.2 Impacto Ambiental das Baterias de Areia
Em termos de impacto ambiental, as baterias de areia são uma solução extremamente sustentável. A areia é um recurso abundante, não tóxico e amplamente disponível, o que reduz significativamente os impactos ambientais associados à extração e ao uso de materiais. Comparado a outras tecnologias de armazenamento térmico, como as baterias de sal fundido, que podem gerar resíduos tóxicos devido à corrosão dos materiais, as baterias de areia são muito mais seguras e limpas.
Além disso, o uso de energia renovável para aquecer a areia contribui para a redução das emissões de gases de efeito estufa, especialmente quando comparado a processos que dependem da queima de combustíveis fósseis. Ao permitir que o calor gerado a partir de fontes renováveis seja armazenado e utilizado de forma eficiente, as baterias de areia podem reduzir drasticamente a pegada de carbono de processos industriais. As análises de ciclo de vida realizadas em estudos anteriores indicam que as baterias de areia podem reduzir em até 70% as emissões de CO2 de processos industriais altamente dependentes de calor.
4.3 Viabilidade Econômica
A análise dos custos de implementação das baterias de areia revela que essa tecnologia é altamente competitiva em comparação com outras soluções de armazenamento térmico. O baixo custo da matéria-prima, aliado à simplicidade do sistema, torna as baterias de areia uma opção economicamente viável para uma ampla gama de indústrias. A tabela a seguir apresenta uma comparação entre o custo de implementação das baterias de areia e outras tecnologias de armazenamento térmico.
| Tecnologia | Custo de Implementação | Manutenção | Sustentabilidade |
| Baterias de areia | Baixo | Baixo | Alta |
| Bateria de Sal fundido | Médio | Médio | Moderado |
| Pedras térmicas | Baixo | Baixo | Moderado |
Os dados indicam que, além de serem econômicas, as baterias de areia exigem pouca manutenção, o que as torna uma opção ainda mais atraente para indústrias que buscam reduzir seus custos operacionais a longo prazo.
4.4 Comparação com Outras Soluções
Como parte desta pesquisa, foi realizada uma análise comparativa entre as baterias de areia e outras tecnologias de armazenamento térmico, como as baterias de sal fundido e as pedras térmicas. A análise revelou que as baterias de areia se destacam por sua simplicidade operacional, alta eficiência e baixo custo. Embora as baterias de sal fundido sejam amplamente utilizadas em centrais de energia solar concentrada, elas apresentam desafios relacionados ao custo e à corrosão dos materiais, o que limita sua aplicação em algumas indústrias.
5. CONCLUSÕES/CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com base nos resultados obtidos, pode-se concluir que as baterias de areia são uma solução promissora para o armazenamento de calor em processos industriais, contribuindo de maneira significativa para a descarbonização e eletrificação da indústria. A tecnologia oferece alta eficiência energética, baixo custo de implementação e um impacto ambiental reduzido, devido ao uso de areia como meio de armazenamento.
Entretanto, a implementação em larga escala dessa tecnologia ainda enfrenta desafios, como a necessidade de maiores investimentos em infraestrutura e a criação de políticas públicas que incentivem a adoção de soluções de armazenamento térmico em processos industriais. É necessário também continuar a pesquisa sobre melhorias tecnológicas que possam aumentar ainda mais a eficiência das baterias de areia, bem como fazer a inserção de resistências aquecedoras diretamente na areia para aumentar o ganho em eficiência, ao contrário dos bancos de areias tradicionais que são aquecidos por insuflamento de ar aquecido à 600°C , e também explorar a aplicação em diferentes setores industriais onde este energia armazenada possa ser usado.
Em termos de contribuições teóricas e práticas, este estudo destaca a importância de integrar as baterias de areia a processos industriais que demandam calor contínuo e de alta qualidade. Além disso, a análise comparativa com outras tecnologias de armazenamento térmico demonstra que as baterias de areia são uma solução economicamente viável e ambientalmente sustentável para o futuro da eletrificação industrial.
Futuras pesquisas
Novas pesquisas em relação à escalabilidade da tecnologia e à exploração de novas aplicações das baterias de areia são fundamentais para maximizar o potencial dessa tecnologia no setor industrial. Abaixo estão algumas direções que essas pesquisas poderiam seguir:
1. Escalabilidade da Tecnologia
A escalabilidade das baterias de areia envolve avaliar como a tecnologia pode ser ampliada para atender às demandas de grandes instalações industriais. Integração com sistemas industriais,otimização de processos térmicos.
2. Novas Aplicações das Baterias de Areia
Como à construção civil para cura de concretagem, uso de micro redes e comunidades isoladas, controlar a temperatura em estufas agrícolas, processos químicos e petroquímicos.
Referências
AGÊNCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA (AIE). *Global CO2 emissions in 2019*. 2020
DAVIS, S. J.; CALDEIRA, K.; BROWN, P. T. *Net-zero emissions energy systems*. *Science*, v. 360, n. 6396, p. 1419-1427, 2018.
IRENA. *Electrification with renewables: Driving the transformation of energy services*. 2019.
LAAKSONEN, A.; KORHONEN, J.; HAVUKAINEN, J. *Sand Batteries: Thermal Storage for Industrial Use*. *Journal of Renewable Energy Storage*, v. 6, p. 45-56, 2020.