Tudo elétrico: Por que um futuro limpo requer veículos elétricos e muito mais

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O que telefones, geladeiras e TVs têm em comum? Todos utilizam energia na forma de eletricidade.

Mas algumas coisas usam diretamente combustíveis fósseis, como petróleo e gás. Dentre as opções, escolha as duas que você acha que mais utilizam petróleo ou gás.


Por que queremos tornar (quase) tudo elétrico? Porque reatores nucleares limpos, painéis solares e turbinas eólicas produzem eletricidade. Para usar essa energia limpa, precisamos ser capazes de realizar o transporte e aquecimento com eletricidade ao invés de petróleo e gás.

Além disso, transformar as emissões móveis (de carros, por exemplo) em estacionárias (de usinas elétricas) facilita o uso da tecnologia de captura de carbono. Você pode aprender mais sobre isso em nosso curso sobre "Inovação Industrial"!

A conversão de eletricidade em calor tem cerca de 100% de eficiência. A única coisa que nos impede de utilizá-la é o preço surpreendentemente baixo do gás. Assim, precisamos tornar a energia limpa mais barata. Tenha em mente que não faz sentido usar eletricidade ao invés de gás se ela for originada de combustíveis fósseis.

E o transporte?

Baterias poderiam substituir 71% dos combustíveis!

Baterias vs. combustível de avião

Mas e quanto aos carros, caminhões, ônibus, etc.? Carros elétricos já existem e, com algumas melhorias no desempenho e na durabilidade das baterias, caminhões elétricos também se tornarão acessíveis. Felizmente, esse tipo de transporte terrestre corresponde à maior parte das emissões dentre os meios de transporte.

Cota de emissões dos meios de transporte

Melhorar o desempenho, a durabilidade e o custo de baterias é o centro da transição para transporte elétrico. Se isso te parece interessante, continue lendo! Nós vamos discutir, com alguns pormenores, como as baterias atuais funcionam e como elas podem melhorar.

O que são baterias?

Bateria de Íons de Lítio

Existem muitos tipos de produtos químicos para baterias, mas eles consistem principalmente de componentes que cumprem as mesmas funções essenciais:

  • Átomos de lítio, em que cada um pode perder um elétron para se tornar um íon positivo de lítio (daí a origem do termo “bateria de íons de lítio”!).
  • O cátodo – um material que atrai o lítio (esse é o lado positivo da bateria).
  • O ânodo – um material que pode armazenar íons de lítio e elétrons, geralmente feito de grafite (esse é o lado negativo da bateria).
  • O separador – uma barreira entre o cátodo e o ânodo. Os íons de lítio podem atravessar essa barreira, mas os elétrons são bloqueados.
  • O eletrólito – o material em que o cátodo e o ânodo são colocados. Ele não tem carga, então não interage com o restante da bateria e pode ser líquido ou sólido.

Vamos olhar para isso com mais detalhes.

Como funciona o carregamento da bateria?

Em resumo, carregar envolve usar energia para forçar os íons de lítio do cátodo positivo para o ânodo negativo.

Em que forma a energia está armazenada na bateria?


Carregando a bateria de íons de lítio

Quando uma bateria vazia é conectada a outra fonte de energia, um elétron é retirado de cada átomo de lítio e começa a atravessar a fonte de energia do cátodo para o ânodo.

Por quê?


Quando um elétron é retirado do lítio, ele deixa para trás íons positivamente carregados. Esses íons são atraídos para o ânodo negativamente carregado, contendo elétrons. Consequentemente, os íons atravessam o separador em direção ao ânodo.

Então, o grafite no ânodo atua como o pão de um sanduíche, mantendo os íons de lítio e os elétrons separados entre suas camadas até que a bateria esteja descarregada. Esse é um estado instável – íons de lítio querem muito ser combinados com seus elétrons.

Ânodo

Por que elétrons e íons de lítio não retornam pelo separador?


Como funciona o descarregamento da bateria?

Descarregando a bateria de íons de lítio

Quando o ânodo e o cátodo são conectados por um cabo, os íons de lítio retornam pelo separador, enquanto os elétrons voltam pelo circuito externo. No cátodo, eles se recombinam e retornam para um estado estável.

Quando os elétrons retornam pelo cabo, eles criam uma corrente elétrica. Essa corrente pode ser usada para fornecer energia a uma lâmpada, ao seu telefone e a outros aparelhos!

Por que lítio?

De todos os elementos que conhecemos, o lítio é um dos mais propensos a doar elétrons. Outros materiais, pelo contrário, são relativamente mais predispostos a receber elétrons. Isso ocorre, em grande parte, devido às suas configurações de elétrons.

Por quê? Átomos são feitos de um centro (chamado núcleo) e elétrons. Os elétrons estão ao redor do centro, em uma camada de elétrons. Os átomos querem que suas camadas estejam “cheias”. Inclusive, eles estão prontos para compartilhar seus elétrons com outros átomos para que isso aconteça. Essa regra está no cerne das baterias.

As camadas de elétrons do lítio e do fluoreto

Analise os átomos de lítio e flúor. Qual deles você acha que está mais propenso a doar elétrons?


Para o flúor, é mais fácil adicionar um elétron do que doar sete. Para o lítio, é mais fácil doar um elétron..

É possível otimizar baterias?

Como mencionamos, carros elétricos já são comercialmente disponíveis e eficientes. Porém, eles ainda são relativamente caros e é sempre bom melhorar seu desempenho. Os caminhões estão mais próximos de serem uma realidade, mas é improvável que tenhamos aviões e barcos elétricos com a tecnologia de bateria atual. Podemos tornar isso possível?

Alguns aspectos-chave que gostaríamos muito de melhorar nas baterias são:

Otimizando baterias

A maioria das tecnologias têm um limite físico. Por exemplo, hoje em dia, painéis solares comerciais absorvem 20% da luz solar que os atinge. Teoricamente, seríamos capazes de construir painéis solares que recolhem 100% da luz solar, mas não mais do que essa porcentagem. Esse é o limite teórico.

Limites teóricos

Aumentando os ciclos de cargas, a sobrevivência da bateria não tem um limite teórico óbvio. E na realidade? Hoje, as baterias sobrevivem milhares de ciclos, mas pesquisas recentes poderiam aumentar isso de 2 para 3 fatores. Tempos animadores nos aguardam!

Mas e quanto ao peso e tamanho das baterias?

Baterias mais leves e menores?

Baterias modernas podem armazenar até 250 Wh de energia em 1 kg de bateria. Em comparação, combustíveis como diesel ou querosene podem conter 13 000 Wh/kg!

Baterias vs. Combustível líquido

Como podemos melhorar isso? Vamos começar com os limites teóricos para ver se algum esforço realista é válido. Nós não podemos ter uma meta maior do que ter o melhor resultado absoluto, então esse sempre é o primeiro passo!

O primeiro fator a ser analisado é o peso de cada componente da bateria:

Peso da bateria por componente

Passo 1: Vamos eliminar todas as coisas “desnecessárias”. Tudo além do cátodo e do ânodo está ali apenas para ajudar – no mundo real é necessário, mas em teoria, não. Perceba que o peso do lítio está incluso no peso do cátodo e do ânodo.

Quanto do atual peso restaria se mantivéssemos apenas o ânodo e o cátodo? Dica: veja os números acima.


Teoricamente, poderíamos também retirar o ânodo?


Precisamos coletar o lítio em algum lugar, mas esse é o único papel do ânodo. Existem formas de realizar o processo sem o uso de um ânodo.

Já que estamos olhando para o limite teórico, sejamos extremamente otimistas e digamos que isso funcionaria sem prejudicar os outros componentes e que poderíamos reduzir efetivamente o peso do ânodo a zero. Então, quanto restou do peso original?


Se pudéssemos construir uma bateria sem as partes de suporte e com um ânodo sem peso, poderíamos reduzir o peso das baterias atuais em 41%, o que nos daria uma energia específica de 250/0,41 = 609 Wh/kg.

Agora, temos apenas o cátodo e um ânodo sem peso. O que mais podemos fazer?


Qual é o melhor cátodo possível?

Queremos escolher materiais que tenham um peso mínimo e uma forte atração pelo lítio.

Aqui estão alguns materiais que estão sendo explorados como opções para cátodos mais leves, juntamente com sua energia específica máxima teórica:

Energia específica dos tipos de bateria e gasolina

Parece que o lítio-O₂ poderia tornar as baterias tão leves quanto a gasolina!

Baterias Li-S e Li-O₂ são realmente possíveis?

Qual dessas propriedades todo cátodo deveria ter?


O tipo mais comum de cátodo utilizado atualmente é o óxido de lítio-cobalto (LiCoO₂). É pesado, mas funciona. Por outro lado, as alternativas "melhores" às quais nos referimos aqui ainda estão em desenvolvimento.

As baterias de lítio-enxofre também estão disponíveis, mas não em larga escala.

Baterias de lítio-O₂ são mais complicadas do que as de Li-S, mas possíveis. Ainda não sabemos se podemos fazê-las funcionar bem o bastante para serem práticas e úteis.

O maior obstáculo, no entanto, é que estamos falando de números na teoria. Como você se lembra, nós nos livramos de todos os componentes e deixamos apenas o cátodo. Ele é responsável por apenas 41% do peso total, então ainda que alcancemos o valor teórico mínimo da massa do cátodo, ainda restariam os outros 59% do peso da bateria. Isso significa que teríamos uma melhoria duas vezes menor, ainda que o cátodo não tivesse peso algum!

Poxa! Pesquisar é difícil, mas com muitas mentes brilhantes (e muito investimento), essas tecnologias estão melhorando cada vez mais! Ânodos e outros materiais que prendem as baterias também estão se tornando mais leves, e as pesquisas estão sempre avançando.

A principal conclusão disso é: talvez nunca tenhamos baterias com a mesma energia específica da gasolina, mas nós podemos ter baterias com mais de duas vezes, quem sabe até três a cinco vezes a quantidade de energia por quilo quanto as baterias de hoje.

Como fazer carros e caminhões elétricos baratos

O preço das baterias de íons de lítio vem caindo drasticamente nos últimos anos e é prevista uma redução ainda maior.

Preço do pacote de bateria

Isso é parcialmente devido à inovação, mas também às economias de escala. Hoje, estamos construindo mais baterias do que há alguns anos e isso permite à indústria usar métodos de produção em massa que tornam o processo mais barato. A companhia Tesla, uma das maiores fabricantes de bateria do mundo, está construindo fábricas enormes para aumentar a automação e os resultados e diminuir o custo.

Podemos usar baterias para resolver os problemas de armazenamento de energia solar e eólica?

Para o transporte elétrico, a densidade de energia e a matéria da energia específica importa muito. Entretanto, para o armazenamento em larga escala, escalabilidade e custo são muito mais importantes. Por quê? Porque precisamos armazenar muita energia. Vamos ver os números.

Considerando o atual preço de produção, de aproximadamente US$150/kWh para armazenamento, quanto custaria montar baterias para estocar a quantidade de energia que o mundo usa em um dia?


Nós adoraríamos ver um número menor, porém infelizmente é aqui que estamos. US$ 70 trilhões é mais do que 80% do total do PIB global em 2018[PIB2018]. Isso significa que construir baterias o suficiente para manter um dia inteiro de energia para todo o globo custaria o mesmo que 80% de todos os produtos produzidos em 2018 – todos!

Baterias atuais são caras

Baterias são extremamente importantes para a eletrificação do transporte, então o que aprendemos aqui ainda é muito útil.

Porém, ainda não desistimos de um armazenamento em larga escala! Nós iremos analisar algumas alternativas de armazenamento de energia daqui a dois capítulos. Mas antes, vamos examinar os combustíveis de hidrogênio e explorar como podemos eletrificar aviões e barcos, o que talvez possa ser uma alternativa de bateria para carros.

Próximo Capítulo