Tecnologia com eletrodos cilíndricos e circulação interna do eletrólito alcançou cerca de 400 ciclos em laboratório e pode ser aplicada em sistemas BESS
Pesquisadores da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da Unicamp desenvolveram uma bateria de fluxo voltada ao armazenamento estacionário de energia em larga escala, com arquitetura projetada para reduzir riscos de vazamento e simplificar a circulação do eletrólito. A tecnologia foi concebida para aplicações associadas à geração solar e eólica e pode contribuir para ampliar a flexibilidade do sistema elétrico.
Desenvolvida no grupo Brazilian Renewable Energies (BREnergies), a solução utiliza eletrodos cilíndricos, eletrólito aquoso e uma turbina integrada à própria bateria, dispensando o conjunto convencional de mangueiras e bombas externas. O projeto também prevê o uso de insumos disponíveis no mercado brasileiro.
A pesquisa foi conduzida 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 arquitetura desenvolvida deu origem a um pedido de patente depositado no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI), com estratégia da Agência de Inovação Inova Unicamp.
Arquitetura reduz pontos de falha
Nas baterias de fluxo convencionais, os eletrodos são normalmente organizados em placas empilhadas, enquanto o eletrólito circula por meio de bombas e tubulações externas. A configuração amplia os pontos sujeitos a vazamentos e exige intervenções no sistema em caso de falhas em componentes hidráulicos.
A proposta da Unicamp substitui esse arranjo por células cilíndricas seladas individualmente, com um eletrodo em formato de anel maior e outro menor, posicionados concentricamente. As células podem ser conectadas em série sem a necessidade de empilhamento. Outro diferencial é a circulação interna. Uma pequena turbina instalada dentro da bateria movimenta o eletrólito, eliminando as mangueiras externas utilizadas em arquiteturas convencionais.
Santos explica que a ausência de equipamentos comerciais compatíveis com a configuração pretendida obrigou a equipe a desenvolver o sistema desde as células até os reatores utilizados nos experimentos: “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.”
O desenvolvimento envolveu conhecimentos de engenharia mecânica, eletrônica e eletroquímica. O pesquisador também destaca o caráter multidisciplinar do trabalho: “Foi um sistema multidisciplinar, unindo engenharia mecânica, eletrônica e eletroquímica, e tivemos que construir tudo do zero.”
Bateria alcança 400 ciclos em laboratório
Nos ensaios de carga e descarga, a bateria de fluxo giratório alcançou aproximadamente 400 ciclos sem utilização de aditivos no eletrólito. O resultado, segundo os pesquisadores, superou referências de sistemas semelhantes avaliados nas mesmas condições, que chegaram a cerca de 100 ciclos devido ao crescimento de dendritos, estruturas que podem provocar curto-circuitos e comprometer a operação.
O teste foi interrompido por uma limitação mecânica no anel coletor responsável pelo contato elétrico do eletrodo interno, e não por uma falha eletroquímica. A pesquisa prevê melhorias nesse componente e a utilização de aditivos, com expectativa de superar 3 mil ciclos. A bateria apresentou ainda aproximadamente 98% de eficiência de carga e 82% de eficiência energética. Em uma demonstração prática, o sistema operou durante duas horas alimentando LEDs e um ventilador.
Para acompanhar o comportamento do equipamento, os pesquisadores desenvolveram um sistema de gerenciamento composto por placa eletrônica e software. A solução monitora tensão, corrente, temperatura, pH e condutividade do eletrólito e conta com uma câmera endoscópica para acompanhar a formação de dendritos no interior da bateria.
Chumbo dissolvido e insumos nacionais
A composição testada utiliza íons de chumbo dissolvidos em eletrólito aquoso, enquanto os eletrodos são produzidos com grafite. A arquitetura permite ainda a adaptação para três diferentes composições químicas. Segundo o estudo, a opção pelo chumbo aproveita uma cadeia de reciclagem já estabelecida no Brasil. O release informa que mais de 98% do material pode ser recuperado nessa cadeia.
A configuração também se diferencia das baterias tradicionais de chumbo-ácido. Nelas, placas sólidas de chumbo funcionam como eletrodos e sofrem desgaste ao longo dos ciclos. Na tecnologia desenvolvida pela Unicamp, o chumbo permanece dissolvido no eletrólito e participa de um processo de deposição e retorno à solução.
Os pesquisadores estimam vida útil de até 20 anos, condicionada à substituição do eletrólito quando houver degradação. A tecnologia utiliza ainda ácido metanossulfônico (MSA), apontado no projeto como alternativa ao ácido sulfúrico por ser biodegradável e menos tóxico e corrosivo que ácidos minerais tradicionalmente empregados nessas aplicações.
Potencial para BESS e redução de curtailment
A aplicação prioritária da tecnologia é o armazenamento estacionário de longa duração, especialmente em sistemas BESS (Battery Energy Storage Systems) associados a usinas solares e eólicas ou conectados diretamente à rede.
O armazenamento permite deslocar a utilização da eletricidade produzida em períodos de maior geração para momentos de maior demanda. No caso das renováveis variáveis, esse recurso pode ajudar a aumentar a flexibilidade operacional e reduzir restrições à geração quando a capacidade de absorção ou transporte da rede é limitada.
A tecnologia também é apresentada como potencial alternativa para aplicações em sistemas isolados e regiões dependentes de geração a diesel. Nesses casos, o armazenamento poderia reduzir a necessidade de acionamento de grupos geradores para atendimento da demanda.
O pesquisador ressalta, porém, que a arquitetura foi desenvolvida para aplicações estacionárias. Portanto, seu foco não é a mobilidade elétrica, como carros, ônibus ou caminhões.
Próximas etapas da pesquisa
O trabalho entra agora em uma etapa de investigação de condutividade, durabilidade e desempenho dos componentes, incluindo melhorias no mecanismo de contato elétrico do eletrodo interno.
A perspectiva de aplicação em sistemas BESS também insere a tecnologia no debate sobre a expansão do armazenamento de energia no Brasil, especialmente diante das discussões sobre mecanismos de contratação de capacidade e da necessidade de maior flexibilidade para acomodar o crescimento da geração solar e eólica.
