Pesquisadores da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), ligados ao grupo Brazilian Renewable Energies (BREnergies), desenvolveram uma nova arquitetura de bateria de fluxo para armazenamento estacionário de energia em larga escala. O projeto utiliza eletrodos cilíndricos e circulação interna do eletrólito, reduzindo componentes externos associados a vazamentos e manutenção.
A tecnologia foi desenvolvida durante o doutorado do engenheiro eletricista João Pedro Aguiar dos Santos, sob orientação de César Pagan e coorientação de Hudson Zanin, ambos da FEEC. A pesquisa resultou em um pedido de patente depositado no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI), com apoio da Agência de Inovação Inova Unicamp.
Arquitetura cilíndrica
As baterias de fluxo convencionais utilizam placas empilhadas e bombas e mangueiras externas para movimentar os eletrólitos. Para reduzir a complexidade e os pontos sujeitos a vazamentos, os pesquisadores desenvolveram dois eletrodos em formato de anel, um dentro do outro. As células são seladas individualmente e podem ser conectadas em série sem formar grandes conjuntos empilhados.
Outra diferença é a circulação do eletrólito. Uma pequena turbina instalada dentro da bateria promove o fluxo da solução, eliminando mangueiras externas e reduzindo componentes sujeitos a entupimentos ou rupturas.
“Durante os estudos, percebi que não existia nenhum tipo de design ou setup experimental que pudéssemos comprar para montar a bateria. Isso foi um grande desafio, porque tivemos que montar desde as células até os reatores maiores para fazer os experimentos no laboratório”, explica Santos.
O desenvolvimento envolveu conhecimentos de engenharia mecânica, eletrônica e eletroquímica.
Protótipo alcança 400 ciclos
Nos testes de carga e descarga, a bateria alcançou aproximadamente 400 ciclos sem aditivos no eletrólito. Segundo os pesquisadores, sistemas semelhantes descritos na literatura não ultrapassaram cerca de 100 ciclos nas mesmas condições devido ao crescimento de dendritos.
O ensaio foi interrompido por uma limitação mecânica no anel coletor rotativo responsável pelo contato elétrico do eletrodo interno, e não por falha eletroquímica. A equipe estima que melhorias no componente e o uso de aditivos possam elevar a vida útil para mais de 3 mil ciclos.
O protótipo apresentou 98% de eficiência de carga e cerca de 82% de eficiência energética. Em um teste prático, funcionou durante duas horas alimentando LEDs e um ventilador.
Os pesquisadores também desenvolveram um sistema de gerenciamento com placa eletrônica e software para monitorar tensão, corrente, temperatura, pH e condutividade. Uma câmera endoscópica permite acompanhar a formação de dendritos no interior da bateria.
Chumbo dissolvido e insumos nacionais
A arquitetura pode ser adaptada a três composições químicas. Nos testes, foi utilizada uma formulação baseada em íons de chumbo dissolvidos em eletrólito aquoso.
A solução pode utilizar materiais disponíveis no Brasil, como grafite, motores e componentes mecânicos. O eletrólito à base de água não é inflamável. A tecnologia também aproveita a cadeia nacional de reciclagem de chumbo, que recupera mais de 98% do material.
Diferentemente das baterias de chumbo-ácido convencionais, que utilizam placas sólidas de chumbo, a nova arquitetura emprega eletrodos de grafite, enquanto o chumbo permanece dissolvido na solução e é depositado e devolvido ao eletrólito durante a operação.
Nos testes, o sistema manteve o desempenho ao longo dos 400 ciclos avaliados. A expectativa dos pesquisadores é alcançar vida útil de até 20 anos, com a possibilidade de substituir o eletrólito quando necessário, sem trocar toda a bateria.
A formulação utiliza ainda ácido metanossulfônico (MSA), considerado biodegradável e menos tóxico e corrosivo que ácidos minerais empregados em outras aplicações eletroquímicas.
Aplicações em energia renovável
A tecnologia foi projetada para sistemas BESS (Battery Energy Storage Systems) associados a usinas solares e eólicas ou diretamente à rede. Entre as aplicações estão o armazenamento de excedentes para uso posterior e a redução do curtailment quando a rede não consegue absorver ou transportar toda a energia produzida.
A solução também poderá ser aplicada em sistemas isolados e regiões dependentes de geração a diesel, contribuindo para reduzir o uso de geração térmica quando houver disponibilidade de fontes renováveis.
No Brasil, esse mercado ganha relevância com as discussões sobre o Leilão de Reserva de Capacidade na forma de Potência (LRCAP) para sistemas de armazenamento.
Por suas características, a tecnologia é voltada ao armazenamento estacionário, e não à mobilidade elétrica.
Próximas etapas
Os próximos passos incluem aprimorar o sistema de contato elétrico, testar novos aditivos e avaliar condutividade, durabilidade e desempenho de longo prazo.
A tecnologia está disponível para licenciamento a empresas interessadas em desenvolver aplicações comerciais. A Inova Unicamp atua na conexão entre os pesquisadores e potenciais parceiros para transferência de tecnologia. O contato inicial com a Inova deve ser feito por meio de um formulário de conexão disponível no site da Agência.
