As baterias estão em todo lugar. Eles estão em nossos telefones, nossos aviões, nossos carros movidos a gasolina, até mesmo - no caso de pessoas com marca-passos ou outros dispositivos médicos implantados - nossos corpos.
As baterias que realmente vão importar no futuro, no entanto, não são as que ajudarão você a jogar Angry Birds em seu telefone por 12 horas seguidas ou a ligar seu veículo em uma manhã gelada de inverno. As baterias com potencial para transformar a perspectiva energética mundial alimentam os veículos elétricos e fornecem armazenamento para a rede elétrica.
"Se você pudesse acenar com uma varinha mágica e resolver os problemas de energia do mundo, só precisaria mudar uma coisa: baterias", diz Ralph Eads, vice-presidente da empresa de investimentos Jeffries LLC, que investe em novas tecnologias de energia.
O problema com a energia não é que não temos o suficiente; Novas tecnologias, como perfuração horizontal e fraturamento hidráulico, recentemente liberaram quantidades de combustíveis fósseis inimagináveis há apenas uma década. O problema é que nossa dependência desses combustíveis fósseis para a maioria de nossa energia é gravemente nociva, causando milhões de mortes prematuras por ano e alterando o clima de maneiras drásticas e imprevisíveis.
Mas os combustíveis fósseis não são uma fonte popular de energia apenas porque são muito abundantes. Eles são populares porque podem armazenar muita energia em uma pequena quantidade de espaço. As baterias também armazenam energia, mas em uma comparação pound-for-pound, elas simplesmente não podem competir. O lugar mais fácil para demonstrar essa diferença é em um carro:
A bateria do híbrido Toyota Prius tem cerca de 225 watts-hora de energia por libra. Essa é a densidade de energia da bateria do carro - a quantidade de energia que pode ser armazenada por unidade de volume ou peso. A gasolina nesse Prius contém 6.000 watt-hora por libra. A diferença de densidade de energia entre combustíveis líquidos de petróleo e até mesmo as mais avançadas baterias cria um cenário no qual um Chevrolet Suburban de 2.700 quilos pode percorrer 650 milhas em um tanque de gasolina e um Nissan Leaf totalmente elétrico, que pesa menos da metade, tem um alcance de apenas cerca de 100 quilômetros.
E mesmo que cerca de 80% das viagens de automóveis dos americanos cheguem a menos de 40 milhas, a pesquisa do consumidor mostrou que os motoristas sofrem de "ansiedade de alcance". Eles querem carros que possam fazer longas viagens, ir ao trabalho e fazer recados pela cidade.
A densidade de energia permaneceu como a fonte das baterias por 100 anos. Sempre que surge uma nova tecnologia ou design que aumente a densidade de energia, outro aspecto crucial do desempenho da bateria - digamos, a estabilidade em alta temperatura ou o número de vezes que ela pode ser drenada e recarregada - sofre. E quando um desses aspectos é melhorado, a densidade de energia sofre.
A tecnologia de fosfato de ferro-lítio é um bom exemplo. Essas baterias, da fabricante chinesa BYD, são amplamente usadas em veículos elétricos e híbridos no sul da China. Eles cobram mais rapidamente do que as baterias de íons de lítio que são comuns em outros veículos elétricos, como o Leaf, mas são menos densos em energia.
Outro aspecto altamente valorizado no projeto de baterias é quantas vezes as baterias podem ser carregadas e drenadas sem perder sua capacidade de armazenar energia. Baterias de níquel-hidreto de metal, ou NiMH, que têm sido o carro-de-força para veículos híbridos, incluindo o Prius e o híbrido Escape da Ford há mais de uma década, se saem bem nessa categoria. Ted J. Miller, que trabalha com tecnologia avançada de baterias para a Ford Motor Company, diz que a Ford retirou as baterias de híbridos Escape em uso para 260.000 milhas de serviço de táxi em San Francisco e descobriu que ainda tem 85% de sua capacidade original de energia. . Essa durabilidade é uma vantagem, mas para veículos puramente elétricos, as baterias NiMH são muito mais pesadas para a mesma quantidade de energia armazenada por uma bateria de íons de lítio; o peso extra reduz o alcance do veículo. As baterias de NiMH também são tóxicas - por isso, não devem ser jogadas no lixo quando ficam sem suco - elas precisam ser recicladas. E como o níquel pode ser mais escasso no futuro do que o lítio, essas baterias podem ficar mais caras.
As baterias de polímero de íons de lítio têm densidade de energia levemente mais alta do que as versões regulares de íon-lítio - um protótipo da Audi viajou 372 milhas com uma única carga - mas não podem ser carregadas e esgotadas tantas vezes, então têm menos resistência.
Vale lembrar que, apesar dessas limitações, as baterias projetadas para abastecer os automóveis já percorreram um longo caminho em um período relativamente curto de tempo - há apenas 40 anos, uma bateria com menos da metade da densidade de energia encontrada nos híbridos e veículos elétricos de hoje considerado um sonho exótico - e eles estão destinados a melhorar ainda mais. "Vemos um caminho claro para a duplicação da capacidade da bateria", diz Miller, da Ford. "Isso sem mudar drasticamente a tecnologia, mas melhorando o processo, por isso temos baterias automotivas de alta qualidade com o mesmo conteúdo de energia que encontramos hoje em dispositivos portáteis".
Tal bateria para veículos totalmente elétricos iria transformar o transporte, tornando-o muito mais amigo do clima. O transporte responde por cerca de 27% das emissões de gases de efeito estufa dos EUA e por 14% das emissões mundiais. Noventa e cinco por cento dos veículos de passageiros dos EUA são movidos a petróleo. Se esses carros e caminhões pudessem ser substituídos por veículos elétricos, se reduziria significativamente a poluição, mesmo que a eletricidade continuasse a vir principalmente do carvão, o Departamento de Energia descobriu. Isso porque os motores de combustão interna são tão ineficientes, perdendo até 80% da energia de seu combustível para o aquecimento, enquanto os motores elétricos colocam quase toda a sua energia em propulsão do veículo.
As baterias podem desempenhar um papel na mudança da fonte de nossa eletricidade, também, armazenando energia produzida a partir de fontes renováveis, como eólica e solar. Como as concessionárias aumentaram o percentual de eletricidade que produzem a partir dessas fontes, o princípio orientador tem sido que usinas de energia movidas a gás natural seriam necessárias para atender à demanda quando turbinas eólicas e células fotovoltaicas não estão produzindo. Se o excesso de energia renovável produzido quando a demanda é baixa poderia ser transferido para uma bateria, armazenado sem perda significativa e drenado rapidamente quando a demanda aumenta - e se o sistema fosse barato o suficiente - evitaria a necessidade de as usinas movidas a carvão renováveis substituir, e as plantas de gás natural consideradas essenciais para acompanhar a energia eólica e solar.
"Baterias de grande volume que consigam trocar o tempo de energia seriam o fator decisivo", diz Peter Rothstein, presidente do Conselho de Energia Limpa de Nova Inglaterra.
As baterias que armazenam energia para a rede têm requisitos diferentes dos que entram nos carros, porque os veículos exigem baterias relativamente compactas que podem transferir sua energia quase instantaneamente. Portanto, tecnologias que não funcionam bem para alimentar veículos elétricos podem ser ótimas para armazenar energia para a rede.
As baterias de lítio-ar, uma tecnologia relativamente nova que gerou muita emoção, podem ter maior densidade de energia do que as baterias de lítio existentes, mas fornecem muito menos energia necessária para acelerar um veículo, diz Miller, da Ford. "Se você precisa de 120 quilowatts de capacidade de energia, com ar de lítio, você pode precisar de 80 a 100 quilowatts-hora de energia da bateria para atender a esse requisito", explica Miller. “Isso é uma bateria muito pesada e muito grande.” Não funcionaria bem em um carro - o Ford Focus EV, em comparação, usa um pouco mais de 100 quilowatts de energia com uma bateria de 23 quilowatts-hora - mas pode quando sentado ao lado de um parque eólico.
As baterias de fluxo de vanádio, outro desenvolvimento promissor, também têm alta densidade de energia e têm um tempo de descarga rápido, o que as torna ideais para armazenamento. Esse é o aplicativo para o qual Ron MacDonald, CEO da American Vanadium, está lançando-os. "Há muitas boas opções de armazenamento, mas cada uma tem um problema", reconhece MacDonald. "Nosso problema sempre foi o custo inicial, porque somos mais caros." Uma bateria de fluxo de vanádio pode durar 20 anos, "portanto, estamos abaixo da maioria dos outros se você considerar o custo ao longo da vida útil da bateria" ele diz.
Mas o desenvolvimento da chamada grade “inteligente” - que usará algoritmos avançados e tecnologia de comunicações para responder rapidamente à medida que a oferta de energia e a demanda do consumidor refluem - e o armazenamento distribuído talvez tenha tornado as baterias menos densas especialistas pensaram no passado. Com dezenas de milhares de pequenas baterias em carros, semáforos e em outros lugares da cidade, uma concessionária de energia elétrica teoricamente poderia retirar a energia dessas baterias durante períodos de alta demanda e devolver a energia aos clientes várias horas depois.
As empresas de serviços públicos também podem tentar mudar quando e como as pessoas usam energia, cobrando taxas exorbitantes por compras de eletricidade em um determinado nível durante períodos de alta demanda. Os clientes serão desencorajados de colocar altas cargas no sistema, tais como a operação de grandes aparelhos ou carregar seu carro elétrico, durante esses tempos. Como as baterias, essas práticas nivelariam a curva das necessidades de produção de eletricidade impostas à concessionária.
"A resposta à demanda desempenhará um papel tão importante quanto o armazenamento", diz Randy Howard, diretor de planejamento e desenvolvimento de sistemas de energia do Departamento de Água e Energia de Los Angeles.
No entanto, Howard gostaria de ver uma bateria trazer para as concessionárias o tipo de avanço que os produtores de petróleo e gás viram. "Estamos todos esperançosos de que em algum momento haverá um salto tecnológico nas baterias, mas isso ainda não aconteceu", diz Howard. "Estamos procurando o nosso fracking no mundo da bateria."
