Como uma Bateria de Areia Pode Revolucionar a Energia Limpa

Uma nova abordagem para armazenar energia renovável está ajudando a fornecer calor limpo e sustentável durante as longas noites nórdicas.

No final de uma estrada rural cercada por árvores no oeste da Finlândia, quatro engenheiros acreditam ter encontrado uma solução simples e eficaz para um dos maiores desafios da energia verde.

O problema central das fontes renováveis, como energia solar e eólica, é garantir um fornecimento contínuo de eletricidade ao longo do ano, independentemente das estações e variações climáticas. A resposta para essa questão pode estar no uso da areia como bateria térmica, um recurso barato, abundante e eficiente.

A Primeira Bateria de Areia em Escala Comercial

Na usina de energia Vatajankoski, localizada a 270 km a noroeste de Helsinque, foi construída a primeira bateria de areia comercial do mundo.

Dentro de um recipiente de aço de 7 metros de altura, a bateria contém 100 toneladas de areia de baixa qualidade, duas tubulações de aquecimento e um sistema de ventilação.

A areia se transforma em uma bateria térmica quando é aquecida a 600°C com eletricidade gerada por painéis solares e turbinas eólicas da Finlândia, fornecida pela própria usina Vatajankoski.

O sistema funciona da seguinte maneira:

1. A eletricidade renovável alimenta um aquecedor de resistência, que gera calor.
2. O calor aquece o ar dentro do reservatório, que é distribuído pela areia por meio de um sistema de ventilação e trocadores de calor.
3. A areia armazena essa energia térmica por longos períodos e, quando necessário, o calor pode ser reaproveitado para fornecer aquecimento para residências e indústrias.

Essa inovação demonstra uma solução viável e escalável para armazenar energia limpa e sustentável, garantindo um suprimento constante mesmo quando as condições climáticas não são favoráveis para geração solar ou eólica.

Com um custo acessível e alta eficiência, as baterias de areia podem desempenhar um papel essencial na transição para um futuro energético mais verde e resiliente.

Como uma Bateria de Areia Pode Revolucionar a Energia Limpa

A bateria de areia desenvolvida na Finlândia representa uma inovação promissora no armazenamento de energia renovável. Projetada para fornecer calor sustentável mesmo nos rigorosos invernos nórdicos, essa tecnologia simples e eficiente pode transformar o setor de energia limpa.

Como Funciona a Bateria de Areia

A bateria está instalada na usina de energia Vatajankoski, localizada na cidade de Kankaanpää, cerca de 270 km a noroeste de Helsinque. Ela é totalmente selada dentro de um contêiner de aço de 7 metros de altura e contém 100 toneladas de areia de baixa qualidade, geralmente descartada na construção civil.

A areia é aquecida a 600°C (1.112°F) com eletricidade gerada por turbinas eólicas e painéis solares. Esse calor é então armazenado por longos períodos e liberado conforme necessário, fornecendo aquecimento e água quente para residências e prédios públicos.

A bateria funciona da seguinte maneira:

1. A eletricidade renovável aquece o ar dentro do reservatório, que é distribuído pela areia por meio de um sistema de ventilação e trocadores de calor.
2. O isolamento térmico impede a perda de calor, mantendo a temperatura elevada mesmo quando a temperatura externa está abaixo de 0°C.
3. Quando há demanda de energia, o calor é liberado gradualmente, fornecendo cerca de 200 kW de potência – o suficiente para aquecer cerca de 100 residências e uma piscina pública.
4. A bateria é recarregada durante a noite, quando os preços da eletricidade são mais baixos, tornando o sistema economicamente viável.

Um Sistema Sustentável e de Baixa Manutenção

De acordo com Ville Kivioja, cientista-chefe da empresa Polar Night Energy, a bateria de areia tem pouca necessidade de manutenção.

• O sistema utiliza areia barata e de baixa qualidade, ao invés da areia de rio, que é amplamente utilizada na construção civil e está se tornando escassa globalmente.
• Como não há desgaste significativo nos tubos de troca de calor ou na areia, o único componente móvel do sistema é o ventilador, que pode ser facilmente substituído.
• A areia mantém excelente capacidade de retenção de calor por meses, podendo ser reutilizada indefinidamente. Com o tempo, a areia se torna mais compacta, ocupando menos espaço e permitindo a adição de mais material.

A Origem da Inovação: Uma Ideia Inspirada na Cultura Finlandesa

Os engenheiros finlandeses responsáveis pelo projeto – Tommi Eronen, Markku Ylönen, Liisa Naskali e Ville Kivioja – compartilham uma amizade de longa data. Desde a infância, eles competiam juntos em esportes como atletismo, ciclismo e salto triplo.

Conforme cresceram, seus interesses mudaram para a ciência e a engenharia. O impacto das mudanças climáticas na Finlândia, como os invernos cada vez mais curtos e quentes, despertou neles a vontade de desenvolver soluções sustentáveis.

Durante a pesquisa para sua tese de Mestrado em Engenharia, em 2016, Eronen começou a estudar sistemas de armazenamento de energia baseados em água. No entanto, ao ler um artigo sobre as tradicionais lareiras finlandesas, feitas de pedra e areia, ele teve um momento de inspiração.

“Isso me fez pensar: será que um material sólido, em vez de água, não seria mais adequado para armazenar energia solar e eólica?” – Tommi Eronen.

O Futuro da Bateria de Areia

A inovação finlandesa mostra que soluções simples e acessíveis podem transformar o setor de energia limpa. Além de ser eficiente e sustentável, o sistema resolve um dos maiores desafios da energia renovável: como armazenar eletricidade para uso quando não há vento ou sol.

Com seu baixo custo, durabilidade e capacidade de armazenamento de longo prazo, as baterias de areia podem se tornar um elemento fundamental na transição global para energias renováveis, garantindo um futuro mais sustentável.

A Busca por um Fornecimento de Energia Estável

A produção de energia solar e eólica depende das condições climáticas e das estações do ano, tornando-se variável e imprevisível. Isso significa que muitas vezes a produção não coincide com a demanda, criando desafios para garantir um fornecimento contínuo de eletricidade.

A falta de tecnologias de armazenamento baratas, viáveis e sustentáveis continua sendo um dos principais obstáculos para a transição global dos combustíveis fósseis para fontes renováveis de energia.

“O armazenamento de energia renovável é um dos desafios mais importantes para atingirmos a meta de zero emissões de CO₂ até 2050, o que, segundo o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas da ONU (IPCC), é crucial para limitar o aquecimento global a 1,5°C.“ – Yulong Ding, diretor do Centro de Armazenamento de Energia de Birmingham (Reino Unido)

O Desenvolvimento da Bateria de Areia

Com essa necessidade em mente, Markku Ylönen começou a desenvolver um protótipo da bateria de areia, em parceria com Yulong Ding.

Após os primeiros testes bem-sucedidos no jardim do avô de Tommi Eronen, em Tampere, eles recrutaram seus amigos de infância do clube de atletismo e fundaram a empresa Polar Night Energy.

Em julho de 2022, a equipe instalou a primeira bateria de areia comercial no mundo, na usina Vatajankoski, em Kankaanpää.

Armazenando Energia Verde

A inovação rapidamente gerou grande entusiasmo ao redor do mundo.

“Meu telefone não para de tocar e tenho milhares de e-mails não lidos.” – Tommi Eronen

Normalmente, pequenas aplicações comerciais de novos sistemas de armazenamento de energia não ganham tanta notoriedade, mas a bateria de areia despertou grande interesse devido ao seu potencial para equilibrar o fornecimento de energia renovável.

Esse tipo de solução é ainda mais crítica para países nórdicos, que:

• Têm longas noites de inverno, aumentando a demanda por calor e eletricidade.
• Recebem extensas horas de sol no verão, gerando excesso de energia solar.

Com um armazenamento eficiente e de longo prazo, a bateria de areia pode equilibrar essa variação sazonal, garantindo um fornecimento de energia contínuo e sustentável.

Essa inovação representa um grande passo na transição energética global, trazendo uma solução acessível para armazenar energia limpa de maneira confiável e econômica.

Bateria de Areia: O Caminho para um Futuro Energético Sustentável?

Com a guerra na Ucrânia, a Finlândia tem pressionado a União Europeia para aumentar sua produção de energia renovável.

“A única saída para a crise energética é investir fortemente em produção de energia renovável e livre de emissões.” – Sanna Marin, primeira-ministra da Finlândia.

Os inventores da bateria de areia acreditam que sua tecnologia pode desempenhar um papel fundamental nessa transição.

“Minha primeira reação foi: ‘Por que eu não pensei nisso?’” – Eva Pongrácz, vice-diretora da unidade de pesquisa em engenharia ambiental e energética da Universidade de Oulu

Embora a bateria de areia não seja a única solução, especialistas a veem como parte essencial de um sistema diversificado de armazenamento de energia renovável.

Bateria de Areia vs. Bateria de Lítio

O maior concorrente para a bateria de areia são as baterias de íon-lítio, amplamente utilizadas em celulares, laptops e veículos elétricos. No entanto, existem desafios significativos com essa tecnologia:

• Degradação ao longo do tempo – As baterias de lítio se desgastam mesmo quando não estão em uso.
• Risco de incêndio – São inflamáveis por natureza, o que representa um perigo em aplicações de grande escala.
• Alto impacto ambiental – A produção de 1 tonelada de lítio refinado emite de 3 a 9 toneladas de CO₂, dependendo do método de extração.

A bateria de areia, por outro lado, não passa por reações químicas, evitando o problema do envelhecimento das células e não apresenta riscos de incêndio.

Custo vs. Eficiência: Vale a Pena?

Apesar das vantagens ambientais e de segurança, a bateria de areia tem desafios quando comparada às baterias químicas tradicionais.

Armazena menos energia por volume – Segundo Dan Gladwin, da Universidade de Sheffield, uma bateria de areia armazena de 5 a 10 vezes menos energia do que as baterias químicas convencionais.

Conversão de calor em eletricidade é ineficiente – Hoje, a conversão de calor de volta para eletricidade tem uma eficiência de apenas 30%, enquanto baterias químicas podem alcançar 75-80%.

Mas o custo da bateria de areia é muito menor –

• Para armazenar 8 MWh de energia com a bateria de areia, o custo é de US$ 200.000 (£174.000).
• Para armazenar a mesma quantidade de energia em uma bateria de íon-lítio, o custo seria de pelo menos US$ 1.600.000 (£1.391.000) – oito vezes mais caro.

Uma Solução Ideal para Climas Frios

Mesmo com desafios na conversão de calor em eletricidade, a bateria de areia ainda faz sentido para regiões frias.

Na Finlândia, onde há demanda constante por aquecimento, o calor residual da bateria pode ser reaproveitado para redes de aquecimento urbano, evitando desperdício de energia.

“Em um país frio como a Finlândia, 70% do calor residual da conversão de eletricidade é aproveitado para o sistema de aquecimento urbano, que precisa de calor o tempo todo.” – Tommi Eronen

Se no futuro os pesquisadores conseguirem aumentar a eficiência da conversão de calor para eletricidade, essa tecnologia pode se tornar um divisor de águas na transição energética global.

Expansão da Tecnologia de Bateria de Areia para o Armazenamento Global de Energia

O próximo grande passo na evolução da bateria de areia para a geração de eletricidade é a integração de uma turbina capaz de converter o calor armazenado de volta em energia para a rede elétrica.

“Em poucos anos, teremos um sistema funcionando para fazer exatamente isso,” diz Tommi Eronen, cofundador da Polar Night Energy.

Atualmente, a empresa está finalizando um contrato para construir uma segunda bateria de areia para outra empresa de aquecimento distrital na Finlândia.

“Esse projeto será significativamente maior, com 2MW de potência térmica e uma capacidade de armazenamento de 500MWh — dez vezes maior que nossa instalação em Kankaanpää,” explica Eronen.

Uma Inovação Nórdica com Potencial Global

Por enquanto, a bateria de areia é vista como uma solução ideal para o clima nórdico, afirma Eva Pongrácz, vice-diretora da Unidade de Pesquisa em Engenharia Ambiental e Energética da Universidade de Oulu.

“Ela é extremamente útil na Finlândia, onde os invernos rigorosos exigem aquecimento de setembro a maio, com uma temperatura média anual abaixo de 10°C,” observa Pongrácz. Atualmente, metade dos 5,5 milhões de habitantes do país depende de redes de aquecimento distrital, tornando a tecnologia especialmente viável.

No entanto, o potencial da bateria de areia vai muito além da Finlândia. Teoricamente, qualquer cidade que possua infraestrutura de aquecimento distrital, como Nova York, São Francisco e Copenhague, poderia adotar essa tecnologia.

“As aplicações vão além do aquecimento residencial,” explica Liisa Naskali, gerente de projetos da Polar Night Energy. “Em grande escala, essa tecnologia pode ser usada em diversos processos industriais que exigem calor intenso, como padarias, lavanderias e siderúrgicas.”

Expansão para o Mercado Internacional

Até 2023, a Polar Night Energy tem o objetivo de se tornar uma empresa global, construindo baterias de areia ao redor do mundo. O crescimento acelerado da energia eólica offshore, que deve fornecer 25% da eletricidade da Finlândia até 2025, aumentará ainda mais a demanda por soluções eficazes de armazenamento de energia.

“Precisaremos de enormes capacidades de armazenamento para equilibrar as flutuações na produção de energia renovável,” afirma Eronen.

Para viabilizar a expansão internacional, a Polar Night Energy também está explorando materiais alternativos para substituir a areia em regiões onde esse recurso é escasso.

“Nosso objetivo é identificar e testar materiais granulares não inflamáveis disponíveis localmente, incluindo subprodutos industriais, para avaliar sua viabilidade como meio de armazenamento térmico,” explica Eronen.

Com pesquisas contínuas e um crescente interesse global, a bateria de areia tem o potencial de se tornar um elemento-chave na transição para um futuro energético sustentável, eficiente e independente da rede elétrica.

Os Desafios da Expansão da Bateria de Areia

O maior obstáculo para a expansão da bateria de areia é a relutância de empresas e municípios em investir em novas tecnologias.

“Na Finlândia, as empresas de aquecimento distrital têm obrigações de fornecer calor e podem ser penalizadas se não cumprirem essas exigências. Por isso, tendem a ser cautelosas antes de aprovar um grande investimento em uma tecnologia inovadora.”
– Liisa Naskali, gerente de projetos da Polar Night Energy

Compromisso com a Redução de Carbono

O impacto ambiental desta reportagem inclui:

• Emissões de viagens para coletar as informações: 70 kg de CO₂
• Emissões digitais da leitura online: 1,2g a 3,6g de CO₂ por visualização de página

Vatajankoski: Uma Exceção à Regra

Enquanto muitas empresas hesitam, a companhia de energia finlandesa Vatajankoski adota uma abordagem diferente.

“Queremos encontrar maneiras de combater as mudanças climáticas. Buscávamos tecnologias para produzir calor sem queimar combustíveis fósseis e encontramos a Polar Night Energy… É uma tecnologia robusta.”
– Pekka Passi, diretor-geral da Vatajankoski

Segundo Passi, o maior potencial da bateria de areia está na indústria, onde algumas operações exigem ar quente a 300°C para processos como secagem de materiais.

Agora, a empresa busca parcerias com indústrias na região de Kankaanpää que atualmente usam eletricidade para produzir calor.

“Uma bateria de areia que pode ser carregada à noite traria mais flexibilidade e protegeria essas empresas das oscilações nos preços da energia.”
– Pekka Passi

A Urgência de Agir

Diante das ondas de calor, secas e incêndios florestais extremos ao redor do mundo, os engenheiros finlandeses defendem que não há tempo a perder para adotar novas tecnologias sustentáveis.

“Precisamos tomar decisões corajosas agora para evitar a crise climática.”
– Ville Kivioja, cientista-chefe da Polar Night Energy

Para Kivioja, o trabalho de cientistas e engenheiros tem um peso enorme na luta contra as mudanças climáticas. Mas, em vez de sentir-se sobrecarregado, ele transforma essa pressão em motivação.

“Eu encaro essa pressão como inspiração, da mesma forma que fazia quando competia no lançamento de disco. Quando você está lá, no campo, se preparando para o próximo lançamento, não pode congelar sob pressão. Trago essa mesma atitude para o meu trabalho.”
– Ville Kivioja

Essa mentalidade também está presente em Eronen e Ylönen, que veem o empreendedorismo como uma competição esportiva.

Em 2018, quando foram convidados para uma conferência de energia em Helsinque, eles decidiram pedalar 170 km de Tampere até o evento, enquanto todos os outros participantes chegaram de carro ou avião.

“Isso nos fez pensar: ‘precisamos causar um impacto real’.”
– Tommi Eronen

Com essa determinação, a Polar Night Energy continua trabalhando para expandir sua tecnologia globalmente e ajudar na transição para um futuro energético sustentável.

Com conteúdo do BBC.