Em regiões-chave, foram estabelecidas iniciativas governamentais para acelerar o desenvolvimento de tecnologias de descarbonização industrial, como a captura e armazenamento de carbono (CCUS), bombas de calor e armazenamento de energia térmica (TES), entre outras tecnologias de eletrificação mais direta. No seu novo relatório de mercado, "Armazenamento de Energia Térmica 2024-2034: Tecnologias, Empresas, Mercados e Previsões", a IDTechEx prevê que mais de 40 GWh de capacidade de TES serão instalados em todo o setor até 2034.

Um mercado emergente para o armazenamento de energia térmica

As tecnologias de permutadores de calor (TES, na sigla em inglês) têm sido amplamente utilizadas em diversas aplicações e mercados, como em conjunto com centrais de energia solar concentrada (CSP), aquecimento urbano, cadeia de frio e aquecimento de ambientes em edifícios. A sua penetração no sector industrial é muito inferior, sendo apenas 1% da capacidade global de TES representada por sistemas instalados em ambientes industriais. À medida que os governos procuram reduzir as emissões industriais para ajudar a atingir metas mais amplas de emissões líquidas zero, prevê-se que a proporção da capacidade global de TES representada pelas instalações industriais aumente. Dada a grande variedade de processos de aquecimento industrial, é importante examinar as diferentes tecnologias de TES que estão a ser desenvolvidas pelos principais intervenientes e como os projetos de sistemas e os níveis de comercialização influenciarão a sua adoção na indústria.

Principais intervenientes e tecnologias no armazenamento de energia térmica industrial

A maioria das empresas do setor de armazenamento de energia térmica está localizada na Europa, nos Estados Unidos e na Austrália. Como demonstrado no relatório de mercado da IDTechEx, estas empresas estão a desenvolver e a comercializar sistemas de armazenamento de energia térmica (TES) tanto de calor sensível como de calor latente para aplicações industriais, e a maioria já implementou projetos piloto ou demonstrações comerciais.

Mapa mundial das sedes das principais empresas do setor de armazenamento de energia térmica. Fonte: IDTechEx

Num sistema de armazenamento térmico por calor sensível, um meio de armazenamento térmico, como o sal fundido, o betão ou os tijolos refractários, é aquecido a uma temperatura mais elevada, armazena esse calor até que seja necessário e transfere-o para um processo industrial após a descarga. O calor pode ser transferido para um fluido de transferência de calor (HTF), como a água, o ar ou o óleo térmico. Nos sistemas de calor latente, um material de mudança de fase (PCM), como uma liga metálica ou silício, é aquecido a uma temperatura constante para mudar a sua fase de sólida para líquida.

Armazenamento de energia térmica por calor latente

Os sistemas de calor latente podem oferecer densidades de armazenamento de energia mais elevadas do que os sistemas de calor sensível, uma vez que é necessária uma grande quantidade de calor para alterar a fase de um material de sólido para líquido. Isto pode ser útil na indústria, onde os ambientes de produção existentes podem já ter restrições de espaço. Outra vantagem dos sistemas de calor latente é a sua capacidade de fornecer calor a uma temperatura constante, uma vez que podem operar em condições isotérmicas. Isto é importante para processos industriais que requerem um fornecimento de calor com parâmetros de funcionamento constantes, como a temperatura, a pressão e/ou o caudal.

Contudo, o confinamento do PCM e a variação das propriedades do material ao longo de ciclos prolongados são factores que requerem maior desenvolvimento para que os sistemas de calor latente tenham uma vida útil mais longa ou necessitem de menos substituições de materiais durante a sua vida útil. Além disso, o número de empresas líderes no desenvolvimento de sistemas de calor latente é inferior ao dos sistemas de calor sensível. Um exemplo é a empresa australiana 1414 Degrees, que está a desenvolver uma tecnologia de armazenamento de calor latente (TES) baseada em silício. É provável que, a médio prazo, estes factores resultem num menor número de implementações à escala comercial de sistemas de armazenamento de calor latente.

Armazenamento de energia térmica por calor sensível

As tecnologias de armazenamento de energia térmica (AET) em sais fundidos têm sido amplamente implementadas em circuitos de transferência de calor (CTC), o que provavelmente impulsionou a sua adoção comercial na indústria antes de outras tecnologias de AET. No entanto, após a descarga, a temperatura do meio de armazenamento térmico utilizado nos sistemas de calor sensível diminui, o que, sem um design adicional do sistema, resultaria em temperaturas flutuantes a serem fornecidas a um processo industrial — uma situação que seria impraticável ou, no mínimo, indesejável.

Os sistemas de sais fundidos, como os desenvolvidos pela empresa norueguesa Kyoto Group, podem resolver este problema incorporando circuitos de recirculação contínua, que mantêm o sal dentro da sua gama de temperaturas de funcionamento, ao mesmo tempo que fornecem calor continuamente a uma temperatura constante para um processo industrial. Uma das principais desvantagens dos permutadores de calor de sais fundidos é que estes sistemas não conseguem armazenar calor a temperaturas superiores a 600 °C devido à decomposição do sal. Isto limita a aplicação desta tecnologia, embora continue a ser requisitada para processos industriais de baixa e média temperatura, como a secagem e o aquecimento de fluidos de processo.

Os sistemas de calor sensível de estado sólido utilizam materiais como betão e tijolo refractário e estão a ser desenvolvidos por empresas líderes como a EnergyNest e a Rondo Energy. Um sistema de estado sólido que fornece ar quente a um processo pode ser misturado com uma corrente de ar ambiente ou mais fria no momento da descarga, sendo que as proporções variam ao longo do tempo para que o ar seja fornecido ao processo a uma temperatura constante. No entanto, isso aumentaria a complexidade e o custo do sistema. Mais importante ainda, os sistemas de estado sólido podem fornecer calor a temperaturas superiores a 1.000 °C, o que será crucial para a descarbonização de certos processos de fabrico de vidro, metal e cimento.

Perspectivas futuras para a tecnologia de armazenamento de energia térmica

Muitas das tecnologias de armazenamento térmico de estado sólido em desenvolvimento ainda enfrentam dificuldades no fornecimento de calor a temperaturas superiores a 1.300 °C devido às limitações na estabilidade mecânica e térmica dos materiais. Para fornecer calor a temperaturas constantes, pode ser necessário misturar fluidos mais frios com fluidos mais quentes que saem do sistema no momento da descarga. Assim, será necessário desenvolver novos materiais ou alterar as composições existentes para descarbonizar algumas das aplicações de aquecimento industrial de mais alta temperatura, incluindo certos processos de tratamento térmico e fundição de metais. Uma empresa importante, a Electrified Thermal Solutions, com sede nos EUA, está a desenvolver uma tecnologia de armazenamento térmico que utiliza tijolos cerâmicos condutores de eletricidade. A composição química destes tijolos foi modificada para que possam absorver eletricidade como fonte de energia e funcionar como elemento de aquecimento, armazenando o calor gerado pela eletricidade. Poderia ser construído um forno utilizando estes tijolos para fornecer calor radiante diretamente a um processo, potencialmente até 1.800 °C. Isto possibilitaria a descarbonização da atmosfera. Isto permitiria a descarbonização de alguns dos processos de aquecimento industrial mais extremos que ocorrem nas indústrias metalúrgica e vidreira.

Além disso, as tecnologias de armazenamento termoquímico de energia (TCES) podem penetrar no mercado no futuro. Estas tecnologias podem utilizar a sorção (adsorção ou absorção) entre dois materiais ou reações químicas para armazenar energia sob a forma de potencial químico. Estes sistemas apresentam densidades de energia teóricas mais elevadas e menores perdas de calor ao longo do tempo do que os sistemas de calor latente e de calor sensível. Isto poderá torná-los adequados para futuras aplicações de armazenamento residencial e sazonal. Foram criados vários protótipos de TCES, embora o grande número de combinações de materiais que poderiam ser hipoteticamente utilizadas nestes sistemas possa ser um obstáculo ao desenvolvimento comercial de qualquer tecnologia TCES. Aperfeiçoamento, maior sensibilização e financiamento para estas tecnologias são necessários para as levar ao mercado.

Armazenamento de energia térmica LCR para aplicações industriais. Fonte: IDTechEx

Na próxima década, como sugere o relatório de mercado da IDTechEx, espera-se que os sistemas de calor sensível dominem o mercado de armazenamento térmico industrial. A utilização de materiais abundantes e de baixo custo, aliada à capacidade de fornecer calor a temperaturas superiores a 1.000 °C no caso de sistemas de estado sólido, torna estas tecnologias adequadas para uma vasta gama de aplicações de aquecimento industrial. Prevê-se um maior desenvolvimento das tecnologias de calor latente e de armazenamento térmico de energia solar (TCES) para o aquecimento industrial descarbonizado, embora mercados e aplicações mais abrangentes possam também beneficiar da utilização destes sistemas, que oferecem densidades energéticas mais elevadas.

Autor: Conrad Nichols, Analista de Tecnologia Sénior da IDTechEx