A energia solar e ea³lica éuma parte importante da solução do problema da mudança climática, mas essas tecnologias renova¡veis ​​por conta própria provavelmente nunca fornecera£o a energia para muitos processos industriais, como a fabricação de aa§o.

Aproximadamente 90 por cento do uso de energia mundial envolve a geração ou manipulação de calor, incluindo o resfriamento de edifa­cios e alimentos. Manter as economias modernas e melhorar a vida nas economias em desenvolvimento e, ao mesmo tempo, mitigar asmudanças climáticas exigira¡ cinco grandes avanços na forma como convertemos, armazenamos e transmitimos energia tanãrmica, de acordo com um novo artigo da Nature Energy da Universidade de Stanford, Instituto de Tecnologia de Massachusetts e Laborata³rio Nacional Lawrence Berkeley .

“As tecnologias renova¡veis ​​modernas são a fonte de eletricidade mais barata que temos hoje, mas a energia solar e ea³lica são intermitentes e representam uma pequena porcentagem da energia mundial”, disse Arun Majumdar , um dos três coautores e professor de meca¢nica de Stanford Engenharia. “Precisamos aumentar esse percentual, mas também devemos descarbonizar o calor e usar o calor para armazenar eletricidade solar e ea³lica.”

A análise ressalta a necessidade urgente de pesquisar e desenvolver avanços na tecnologia tanãrmica que potencialmente poderiam reduzir as emissaµes de gases de efeito estufa em pelo menos um gigaton, o que écerca de 3 por cento das emissaµes anuais de gases de efeito estufa em todo o mundo.

“Na³s, como espanãcie, estamos nos arriscando com a infraestrutura que erguemos para melhorar nossa qualidade de vida”, disse o coautor Asegun Henry , professor associado de engenharia meca¢nica do MIT. “Existem alguns casos na história em que cientistas e engenheiros se uniram e alcana§aram algo nota¡vel em um período de tempo muito curto. Deve ser um desses momentos. ”

Um grande desafio na engenharia tanãrmica éarmazenar o excesso de energia ea³lica e solar como energia tanãrmica durante vários dias e depois convertaª-la de volta em eletricidade quando necessa¡rio. A descarbonização total da eletricidade reduziria as emissaµes globais de gases do efeito estufa em cerca de um quarto. Obter 70 por cento ou mais de nossa eletricidade de fontes renova¡veis ​​intermitentes exigira¡ grandes adições de armazenamento de eletricidade. A expansão da tecnologia atual mais comum, o armazenamento hidrelanãtrico bombeado, élimitada pela geografia, e as baterias de a­on-la­tio são muito caras para armazenar o excesso de energia renova¡vel durante vários dias.

“A principal vantagem do armazenamento de energia tanãrmica éseu potencial de baixo custo em grande escala”, disse o coautor Ravi Prasher , diretor de laboratório associado para tecnologias de energia do Lawrence Berkeley National Laboratory.

“Embora seja relativamente fa¡cil converter eletricidade em calor”, Prasher explicou, “o principal desafio para o armazenamento de energia tanãrmica éa grande penalidade de eficiência ao converter calor de volta em eletricidade”.

Va¡rias tecnologias de armazenamento de energia tanãrmica em grande escala ainda estãoem desenvolvimento, então tecnologias concorrentes que usam outros materiais e mecanismos de armazenamento tanãrmico devem continuar a ser exploradas, concluem os pesquisadores.

“Mesmo que a eficiência de ida e volta talvez seja de apenas 50 a 60 por cento, o custo pode estar dentro da faixa necessa¡ria de menos de US $ 10 por quilowatt-hora”, disse Majumdar, que também écodiretor do Precourt Institute for Energy de Stanford .

Outro grande desafio égerar o calor extremo necessa¡rio nos processos industriais, como fazer cimento, aa§o, aluma­nio e hidrogaªnio. As emissaµes de GEE no setor industrial representam mais de 15% das emissaµes globais, a maioria das quais estãoassociada ao fornecimento de calor a temperaturas de 100 a 1.000 graus Celsius (212 a 1.832 graus Fahrenheit).

Com a rápida redução do custo da eletricidade renova¡vel e do hidrogaªnio potencialmente livre de GEE, o setor industrial pode ser descarbonizado usando aquecedores resistivos ou combustores de hidrogaªnio, de acordo com a análise. Desafios significativos de ciência e engenharia, no entanto, ainda permanecem. Para eletricidade renova¡vel intermitente, tanto o armazenamento barato de alta temperatura quanto os fornos de baixo fator de capacidade precisam ser desenvolvidos.

Um terceiro grande desafio estãono lado oposto do calor do espectro tanãrmico: a refrigeração. O objetivo éinventar refrigerantes para alimentos e ar-condicionado sem o atual vazamento de hidrofluorocarbonos, um conjunto de gases de efeito estufa extremamente poderosos. Novos refrigerantes bem-sucedidos devem ser não inflama¡veis, não ta³xicos e acessa­veis, bem como soluções preferenciais para os sistemas atuais, disse Majumdar.

“Com o aumento da refrigeração e refrigeração nas economias emergentes, este éum grande desafio”, disse Henry.

Em muitas economias em desenvolvimento, a crescente demanda por ar condicionado envolve a redução da umidade e da temperatura, portanto, novos refrigerantes também tera£o que fazer isso, disse Prasher. Alternativamente, novas tecnologias podem ser desenvolvidas para desacoplar a desumidificação do resfriamento.

O aquecimento do espaço e da águaem edifa­cios residenciais e comerciais são responsa¡veis ​​por mais de 6% das emissaµes de GEE dos EUA. Novos materiais de construção que podem conduzir e bloquear o calor - sob demanda - são necessa¡rios para reduzir a energia para aquecimento e resfriamento. A capacidade de controlar a conduta¢ncia tanãrmica na estrutura de um edifa­cio pode economizar de 10 a 40 por cento das emissaµes de GEE, então isso representa outro desafio digno de ser enfrentado, dizem os pesquisadores.

Por último, um desafio particularmente grande édesenvolver a capacidade de transmitir calor por longas distâncias com pouca perda de energia. Hoje, isso éfeito com vapor, mas não na escala ou distância necessa¡ria. O objetivo aqui édesenvolver o equivalente de calor de uma linha de energia elanãtrica - um manãtodo eficaz para transportar calor em grande escala em megawatts usando equipamentos e materiais ma­nimos. A descoberta de um supercondutor tanãrmico poderia permitir isso, mas a praticidade de implanta¡-lo em grande escala não éclara. Outra possibilidade de pesquisa, de acordo com os pesquisadores, édescobrir novos fluidos bombea¡veis ​​com reações químicas reversa­veis para transmitir energia na forma química, em vez de tanãrmica.

“A descarbonização profunda sem avanços na ciência e engenharia tanãrmica parece inconceba­vel, mas a atenção dos pesquisadores e financiadores não refletiu isso”, disse Majumdar. “Esperamos que esta análise seja um apelo a  ação para a comunidade mais ampla de P&D.”