Pesquisadores da ETH Zurich estão usando ferro para armazenar hidrogênio com segurança e por longos períodos. No futuro, essa tecnologia pode ser usada para armazenamento sazonal de energia.
A energia fotovoltaica deve suprir mais de 40% das necessidades de eletricidade da Suíça até 2050. Mas a energia solar nem sempre está disponível quando é necessária: há muita energia no verão e muito pouca no inverno, quando o sol brilha menos e as bombas de calor estão funcionando a todo vapor. De acordo com a Estratégia Energética do governo federal suíço, a Suíça quer fechar a lacuna de eletricidade no inverno com uma combinação de importações, energia eólica e hidrelétrica, bem como usinas solares alpinas e usinas de energia a gás.
Uma maneira de minimizar a necessidade de importações e usinas de energia a gás no inverno é produzir hidrogênio a partir de energia solar barata no verão, que poderia então ser convertida em eletricidade no inverno. No entanto, o hidrogênio é altamente inflamável, extremamente volátil e torna muitos materiais quebradiços. Armazenar o gás do verão até o inverno exige recipientes pressurizados especiais e tecnologia de resfriamento. Isso requer muita energia, enquanto as muitas precauções de segurança que devem ser seguidas tornam a construção dessas instalações de armazenamento muito cara. Além disso, os tanques de hidrogênio nunca são completamente à prova de vazamentos, o que prejudica o meio ambiente e aumenta os custos.
Agora, pesquisadores da ETH Zurich liderados por Wendelin Stark, Professor de Materiais Funcionais no Departamento de Química e Biociências Aplicadas, desenvolveram uma nova tecnologia para o armazenamento sazonal de hidrogênio que é muito mais segura e barata do que as soluções existentes. Os pesquisadores estão usando uma tecnologia bem conhecida e o quarto elemento mais abundante na Terra: ferro.
Armazenamento químico
Para armazenar melhor o hidrogênio, Stark e sua equipe estão contando com o processo de ferro a vapor, que é compreendido desde o século XIX. Se houver um excedente de energia solar disponível nos meses de verão, ela pode ser usada para dividir a água e produzir hidrogênio. Esse hidrogênio é então alimentado em um reator de aço inoxidável cheio de minério de ferro natural a 400 graus Celsius. Lá, o hidrogênio extrai o oxigênio do minério de ferro – que em termos químicos é simplesmente óxido de ferro – resultando em ferro elementar e água.
“Este processo químico é semelhante ao carregamento de uma bateria. Isso significa que a energia no hidrogênio pode ser armazenada como ferro e água por longos períodos com quase nenhuma perda”, diz Stark. Quando a energia é necessária novamente no inverno, os pesquisadores invertem o processo: eles alimentam o reator com vapor quente para transformar o ferro e a água novamente em óxido de ferro e hidrogênio. O hidrogênio pode então ser convertido em eletricidade ou calor em uma turbina a gás ou célula de combustível. Para manter a energia necessária para o processo de descarga no mínimo, o vapor é gerado usando o calor residual da reação de descarga.
Minério de ferro barato encontra hidrogênio caro
“A grande vantagem dessa tecnologia é que a matéria-prima, minério de ferro, é fácil de obter em grandes quantidades. Além disso, nem precisa de processamento antes de colocá-lo no reator”, diz Stark. Além disso, os pesquisadores assumem que grandes instalações de armazenamento de minério de ferro poderiam ser construídas em todo o mundo sem influenciar substancialmente o preço de mercado global do ferro.
O reator no qual a reação ocorre também não precisa cumprir nenhum requisito especial de segurança. Ele consiste em paredes de aço inoxidável com apenas 6 milímetros de espessura. A reação ocorre em pressão normal e a capacidade de armazenamento aumenta a cada ciclo. Uma vez preenchido com óxido de ferro, o reator pode ser reutilizado para qualquer número de ciclos de armazenamento sem precisar substituir seu conteúdo. Outra vantagem da tecnologia é que os pesquisadores podem facilmente expandir a capacidade de armazenamento. É simplesmente um caso de construir reatores maiores e enchê-los com mais minério de ferro. Todas essas vantagens tornam essa tecnologia de armazenamento uma estimativa de dez vezes mais barata do que os métodos existentes.
No entanto, também há uma desvantagem em usar hidrogênio: sua produção e conversão são ineficientes em comparação a outras fontes de energia, pois até 60% de sua energia é perdida no processo. Isso significa que, como meio de armazenamento, o hidrogênio é mais atraente quando há energia eólica ou solar suficiente disponível e outras opções estão fora de questão. Esse é especialmente o caso de processos industriais que não podem ser eletrificados.
Planta piloto no campus de Hönggerberg
Os pesquisadores demonstraram a viabilidade técnica de sua tecnologia de armazenamento usando uma planta piloto no campus de Hönggerberg. Ela consiste em três reatores de aço inoxidável com capacidade de 1,4 metros cúbicos, cada um dos quais os pesquisadores encheram com 2-3 toneladas de minério de ferro não tratado disponível no mercado.
“A planta piloto pode armazenar cerca de 10 megawatts-hora de hidrogênio por longos períodos. Dependendo de como você converte o hidrogênio em eletricidade, isso lhe dará algo entre 4 e 6 megawatts-hora de energia”, explica Samuel Heiniger, um candidato a doutorado no grupo de pesquisa de Stark. Isso corresponde à demanda de eletricidade de três a cinco casas unifamiliares suíças nos meses de inverno. Atualmente, o sistema ainda está funcionando com eletricidade da rede e não com a energia solar gerada no campus de Hönggerberg.
Isso deve mudar em breve: os pesquisadores querem expandir o sistema de modo que, até 2026, o campus da ETH Hönggerberg possa atender a um quinto de suas necessidades de eletricidade no inverno usando sua própria energia solar do verão. Isso exigiria reatores com um volume de 2.000 metros cúbicos, que poderiam armazenar cerca de 4 gigawatts-hora (GWh) de hidrogênio verde. Uma vez convertido em eletricidade, o hidrogênio armazenado forneceria cerca de 2 GWh de energia. “Esta usina poderia substituir um pequeno reservatório nos Alpes como uma instalação de armazenamento de energia sazonal. Para colocar isso em perspectiva, equivale a cerca de um décimo da capacidade da usina de armazenamento bombeado Nate de Drance”, diz Stark. Além disso, o processo de descarga geraria 2 GWh de calor, que os pesquisadores querem integrar ao sistema de aquecimento do campus.
Série “Soluções energéticas para a Suíça”
A Suíça pretende reduzir suas emissões de gases de efeito estufa para zero líquido até 2050. Isso requer um suprimento de energia livre de fósseis com base em fontes de energia renováveis e sustentáveis - um enorme desafio para o país. Com seu Energy Science Center, a ETH Zurich está apoiando a transição energética na Suíça com soluções específicas nas áreas de pesquisa, ensino e transferência de conhecimento.
Já publicado:
Boa escalabilidade
Mas essa tecnologia poderia ser aproveitada para fornecer armazenamento sazonal de energia para a Suíça como um todo? Os pesquisadores fizeram alguns cálculos iniciais: fornecer à Suíça cerca de 10 terawatts-hora (TWh) de eletricidade a partir de sistemas sazonais de armazenamento de hidrogênio a cada ano no futuro – o que seria muito – exigiria cerca de 15-20 TWh de hidrogênio verde e aproximadamente 10.000.000 de metros cúbicos de minério de ferro. “Isso é cerca de 2% do que a Austrália, o maior produtor de minério de ferro, extrai a cada ano”, diz Stark. A título de comparação, em suas Perspectivas Energéticas 2050+, o Escritório Federal Suíço de Energia prevê um consumo total de eletricidade de cerca de 84 TWh em 2050.
Se fossem construídos reatores que pudessem armazenar cerca de 1 GWh de eletricidade cada, eles teriam um volume de aproximadamente 1.000 metros cúbicos. Isso requer cerca de 100 metros quadrados de terreno para construção. A Suíça teria que construir cerca de 10.000 desses sistemas de armazenamento para obter 10 TWh de eletricidade no inverno, o que corresponde a uma área de cerca de 1 metro quadrado por habitante.
Coalizão para Energia Verde e Armazenamento (CGES)
Este projeto faz parte da Coalizão para Energia Verde e Armazenamento, que a ETH Zurich lançou em 2023 junto com a EPFL, PSI e Empa e está impulsionando junto com parceiros industriais – incluindo grandes fornecedores e autoridades de energia suíças. A coalizão estabeleceu para si a meta de levar rapidamente tecnologias inovadoras para a produção e armazenamento de gases e combustíveis neutros em carbono e para captura de CO2 à maturidade do mercado. Como parte do CGES, plantas piloto maiores ('catapultas') devem ser construídas para testar essas tecnologias e fazer contribuições importantes para a transformação neutra em termos de clima do sistema energético e segurança do fornecimento. O próximo passo será estabelecer uma associação que conectará as partes interessadas, fornecerá a elas suporte e orientação científica e facilitará a implementação de projetos.
Referência
Literatura: Heiniger, SP; Fan Z; Lustenberger UB, Stark WJ: Armazenamento seguro de energia sazonal e hidrogênio em um reator piloto de tamanho familiar único de 1:10 baseado no processo de ferro-vapor. Sustainable Energy & Fuels 2024, 8 (1), 125'132 . https://doi.org/10.1039/D3SE01228J
Cristoph Elhardt
