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Oct 27, 2023

A energia da noite polar projeta uma areia

Este artigo patrocinado é trazido a você pela COMSOL. Ao tentarmos objetivamente

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Ao tentarmos estudar objetivamente a natureza, muitas vezes somos lembrados de como as forças naturais nos afetam pessoalmente. Podemos sentar em uma mesa e considerar o calor em suas várias formas, mas podemos nos distrair se nossos dedos dos pés estiverem frios! Quando aumentamos o calor em nossas casas e locais de trabalho, devemos equilibrar nossa necessidade pessoal de calor com o impacto global da queima de combustíveis fósseis como petróleo, gás, carvão e biomassa. A mudança climática antropogênica confronta a humanidade com um desafio: como podemos nos manter aquecidos agora enquanto tentamos evitar que nosso mundo superaqueça no futuro?

É uma pergunta assustadora que uma startup chamada Polar Night Energy, na pequena e fria nação da Finlândia (Figura 1), está tentando responder. Em uma região conhecida por longas e escuras noites de inverno, a Polar Night Energy está construindo um sistema na cidade de Tampere que pode aquecer edifícios com energia solar armazenada - durante todo o dia, toda a noite e durante todo o inverno. As aparentes contradições não param por aí. Em uma era de soluções complexas de tecnologia limpa, muitas vezes feitas de materiais raros e caros, o sistema de armazenamento e distribuição de calor da Polar Night Energy consiste em dutos simples, bombas, válvulas e areia. O novo sistema mostra potencial para lidar com problemas globais de maneira paciente, ponderada e em escala humana.

Figura 1. A nação da Finlândia, parte da qual está acima do Círculo Polar Ártico. Os sistemas de armazenamento de calor da Polar Night Energy estão atualmente instalados nas cidades de Tampere e Kankaanpää.

Grandes problemas exigem grandes soluções, e talvez não haja problema maior no século 21 do que a mudança climática. Para enfrentar esse desafio, muitos governos e organizações estão investindo em novas tecnologias para ajudar a diminuir o uso de combustíveis fósseis. Essas iniciativas têm se concentrado amplamente na geração, distribuição e armazenamento de energia elétrica renovável.

"Quando você pergunta às pessoas sobre energia mais limpa, elas pensam em eletricidade", diz Tommi Eronen, CEO da Polar Night Energy. "Mas também temos que cortar as emissões do aquecimento." Das emissões relacionadas à energia da Finlândia, 82 por cento vêm do aquecimento de edifícios domésticos (Ref. 1). “Queremos substituir tudo isso se quisermos ter alguma esperança de atingir nossas metas climáticas globais”, diz Eronen.

O espírito de "pensar globalmente, agir localmente", um mantra associado à década de 1960, continua vivo com a equipe de inovadores da Polar Night Energy. Sua jornada começou com uma pergunta feita por seus fundadores, Tommi Eronen e Markku Ylönen, quando eram colegas de faculdade: "É possível construir uma comunidade hippie autossuficiente em energia e econômica para engenheiros usando apenas energia solar?" Após a formatura, o projeto que eles batizaram de "Hippie Commune" tornou-se Polar Night Energy, com Eronen como CEO e Ylönen como CTO.

O que começou como um projeto estudantil alegre (mas sério) levou a uma usina piloto de 3 MWh/100 kW na cidade finlandesa de Tampere, que começou a operar durante o inverno de 2020–2021. O sistema usa eletricidade para aquecer o ar, que é então circulado por um trocador que aquece a água e a distribui para vários prédios no distrito de Hiedanranta da cidade (Figura 2).

Figura 2. Um esquema dos componentes e do ciclo operacional do sistema Polar Night Energy.

Dentro do sistema, elementos de aquecimento resistivos alimentados eletricamente aquecem o ar a mais de 600°C. O ar quente circula através de uma rede de tubos dentro de um recipiente de armazenamento de calor cheio de areia. O ar quente então flui de volta para fora do recipiente para um trocador de calor, onde aquece a água que circula pelos sistemas de aquecimento do prédio. A capacidade de armazenamento de calor da areia garante que mesmo quando os elementos resistivos estão frios, o ar circulante ainda está quente o suficiente para manter a água (e os edifícios) quentes.

"Só temos canos, válvulas, um ventilador e um elemento de aquecimento elétrico. Não há nada de especial aqui!" Eronen diz, rindo.

O notável engenheiro químico Donald Sadoway é citado como tendo dito: "Se você quer fazer uma bateria baratinha, você tem que fazê-la a partir da sujeira." O sistema da Polar Night Energy enfrenta os mesmos desafios centrais que qualquer outra infraestrutura de energia. Deve fornecer energia às pessoas quando elas precisam, onde precisam e a um preço administrável. Isso significa que armazenar e distribuir energia é tão importante quanto sua geração. A infraestrutura existente atende a esses desafios de maneiras familiares. Para aquecimento baseado em combustão, combustíveis como óleo e gás são armazenados e movidos para onde possam ser queimados. A rede elétrica também suporta a distribuição eficiente de energia e faz uso da energia gerada por meios renováveis, como eólica e solar. A natureza intermitente da luz do dia e dos ventos fortes, no entanto, é um problema teimoso. O armazenamento de energia é necessário para manter a produção de energia constante durante os picos e vales de insumos renováveis. Mas mesmo com os recentes avanços na tecnologia de baterias, o armazenamento de energia elétrica continua relativamente caro, especialmente na escala necessária para o aquecimento de edifícios. E se, em vez de armazenar eletricidade, uma "bateria" pudesse armazenar calor?