Universidade Federal do ABC Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Igor Polezi Munhoz LIGA DE MAGNÉSIO COMO MATERIAL PARA BATERIA DE ALTA DENSIDADE ENERGÉTICA Dissertação de Mestrado Santo André SP 2014
Igor Polezi Munhoz LIGA DE MAGNÉSIO COMO MATERIAL PARA BATERIA DE ALTA DENSIDADE ENERGÉTICA Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada ao Curso de Pós- Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do ABC, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica Orientador: Prof. Dr. Jorge Tomioka Santo André SP 2014
A Deus pela minha vida, e vida em abundância! Ao meu pai Jorge Luís e a minha mãe Neusa Maria (in memoriam). À Alessandra Akkari, minha querida amiga e futura esposa! À Sra. Maria dos Santos, que considero como uma segunda mãe!
AGRADECIMENTOS A Deus, pela Sua misericórdia, por ter me salvado, me libertado, por ter me tirado de um vale de ossos secos e por ter me trazido vida! Digno é o Cordeiro, que foi morto, de receber o poder, e riqueza, e sabedoria, e força, e honra, e glória, e louvor (Apocalipse 5.12). Ao Prof. Dr. Jorge Tomioka pelas valiosas orientações, não apenas profissionais, mas também por toda ajuda e por toda confiança que ele depositou em minha vida. Agradeço também pela paciência, pelas críticas (que foram fundamentais para o sucesso deste trabalho) e por acreditar no meu potencial acadêmico. À minha família, em especial aos meus pais, Jorge Luís Munhoz, que sempre foi um exemplo de homem em minha vida, alguém que eu admiro e pretendo seguir os passos, e à minha mãe Neusa Maria Polezi Munhoz (in memoriam), que era uma mulher incrível, indescritível, sem palavras! Também agradeço à minha avó Emilia Leonardo Munhoz (in memoriam) pela companhia e pela ajuda, outro exemplo de mulher virtuosa! À minha querida Alessandra Akkari por todo amor, pelo comprometimento, pela ajuda, pela paciência, pela sinceridade, pela boa vontade, pelo estimulo, pelo carinho! Não tenho palavras para agradecer! Você é uma mulher virtuosa! Minha princesa, você nunca desistiu de mim mesmo em meio a tantas provações! Te amo! Mulher virtuosa quem a achará? O seu valor muito excede ao de rubis. O coração do seu marido está nela confiado; assim ele não necessitará de despojo. Ela só lhe faz bem, e não mal, todos os dias da sua vida (Provérbios 31.10-12). À Sra. Maria Aparecida dos Santos por todo o cuidado com a minha vida, pelo carinho, pelo empenho, por estar ao meu lado nos momentos mais difíceis da minha vida, a perda recente da minha mãe Neusa e da minha avó Emília. Agradeço porque a Sra. orou pela minha vida e sei que se hoje estou aqui é porque Deus usou a Sra. para orar e lutar por mim!
Aos professores: Profa. Dra. Neusa M. B. Fernandes dos Santos, por toda a ajuda e estímulo, me trouxe grandes e valorosos aprendizados no âmbito acadêmico, assim como compreensão e força nos momentos difíceis. Profa. Dra. Luciana Pereira meu muito obrigado por ser uma professora que me acolheu, me ensinou, me orientou e me estimulou! Prof. Dr. Renato A. Antunes por toda a ajuda e dedicação durante os ensaios experimentais. Professores Dr. Federico M. Trigoso e Dr. Alfeu J. Sguarezi Filho pelas contribuições no meu exame de qualificação. Prof. Dr. Edmárcio A. Belati por incentivar o meu ingresso no Programa de Pós- Graduação em Engenharia Elétrica, assim como por toda ajuda durante o mestrado. Prof. Dr. Douglas A. Cassiano por todas as orientações e conselhos, tanto no término da minha graduação em Engenharia de Gestão como no meu mestrado em Engenharia Elétrica. Prof. Dr. Diolino J. dos Santos Filho, presente na minha banca de defesa, meu muito obrigado pela participação e pelas contribuições, fundamentais na conclusão do meu trabalho de mestrado. Aos técnicos: Dr. Jonhson D. Angelo, técnico do laboratório L605, pela ajuda com os procedimentos experimentais na área química. Sr. Osmando Cardoso e ao Sr. Antonio Guilherme Medeiros Neto, técnicos do laboratório L702 da UFABC, que permitiram que a primeira fase do meu trabalho experimental fosse concluída com êxito, me auxiliando e me conduzindo em todos os procedimentos. Sr. William Dalcin, e demais técnicos da oficina da UFABC, por toda ajuda no corte do lingote de magnésio.
Aos demais amigos e colegas da UFABC, em especial ao Sr. Fernando S. C. de Melo, obrigado pelo incentivo, pela ajuda de sempre e pelo companheirismo! À Universidade Federal do ABC, agradeço pelo incentivo à pesquisa acadêmica, bem como pelo suporte técnico e financeiro. À CAPES pela minha bolsa de estudos. À RIMA Industrial S.A. por fornecer a liga de magnésio utilizada durante o trabalho experimental. A todos aqueles que por algum descuido eu deveria ter mencionado e não o fiz, meu muito obrigado!
... eu vim para que tenham vida, e a tenham em abundância. João 10.10 Esperei com paciência no SENHOR, e ele se inclinou para mim, e ouviu o meu clamor. Tirou-me dum lago horrível, dum charco de lodo, pôs os meus pés sobre uma rocha, firmou os meus passos. E pôs um novo cântico na minha boca, um hino ao nosso Deus; muitos o verão, e temerão, e confiarão no Senhor Salmos 40:1-3
RESUMO No contexto energético, as mudanças climáticas e as crescentes crises energéticas aumentaram as preocupações e as pesquisas na área de acumuladores de energia, visando alcançar melhorias no cenário energético e ambiental global. Ao mesmo tempo, a sociedade tornou-se dependente do consumo de energia elétrica, sendo que falhas no fornecimento não são permitidas. Portanto, observa-se a necessidade da energia ofertada ser de boa qualidade e, principalmente, não sofrer interrupções. Atrelado a esses fatores, a bateria de Magnésio Ar passou a ser considerada uma fonte promissora de energia elétrica, principalmente pela abundância de Magnésio (sétimo elemento mais presente no planeta), por não poluir o meio ambiente, ser barata e possuir energia especifica elevada. Essas características transformam esse acumulador em um potencial substituto para outras tecnologias. No entanto, a bateria de magnésio possui desvantagens que precisam ser vencidas por meio de pesquisas para alavancar o seu uso comercial massivo. Sob essa perspectiva, neste trabalho propõe-se o estudo da liga de magnésio AZ91 para aplicação em baterias de Magnésio Ar, por meio de ensaios de porosidade e de dureza, como também análise microestrutural e mensuração do potencial de circuito aberto e das curvas de polarização potenciodinâmica, utilizando-se uma célula eletroquímica de três eletrodos e um potenciostato em diferentes tempos de imersão da liga AZ91 na solução eletrolítica de NaCl 0,1 M. A porosidade da peça, observada no microscópio óptico com ampliação de 50 vezes, revelou que em cada fase de solidificação existem poros de tamanhos diferentes, com distribuição específica. Conforme o processo de resfriamento ocorre, nota-se a presença de poros maiores. Relacionado à porosidade, a dureza apresentou valores maiores na fase inicial de solidificação, onde a porosidade é menor. Por meio da análise microestrutural, foi possível verificar a presença de dendritas, com uma complexa dispersão de segunda fase na liga (alumínio), porosidades e inclusões. As medidas de potencial de circuito aberto indicam uma tendência de resistência à corrosão em tempos maiores de contato da amostra com a solução de NaCl. Não foi possível observar passivação aparente na amostra, nem pontos de corrosão localizada (pite) nas curvas de polarização potenciodinâmica. As variações no potencial de corrosão apontaram uma maior resistência à corrosão em tempos de imersão maiores; contudo, os valores estáveis de densidade de corrente de corrosão demonstram que a velocidade de corrosão permaneceu constante, sendo que a camada de óxido formada não contribuiu na proteção do material. Para a aplicação em baterias de magnésio, esses resultados conferem uma limitação da liga AZ91, pois a camada de óxido formada pode prejudicar o funcionamento do dispositivo em processos de descarga intermitente. As principais formas de controlar a eficiência da bateria de Magnésio Ar são por meio da composição da liga, da oxigenação, do ph, da temperatura e da concentração de sais NaCl no eletrólito. Palavras-chave: acumuladores de energia, baterias de Magnésio Ar, liga de magnésio AZ91, caracterização.
ABSTRACT In the energy sector, weather changes and rising energy crisis raised concerns and research in energy accumulators to achieve improvements in overall environmental and energy scenario. At the same time, society has become dependent on electricity consumption, so failures in supply are not tolerated. Therefore, the energy needs to have a good quality, and not suffer interruptions. Coupled to these factors, the battery Magnesium Air has been considered a promising source of electricity, mainly by the abundance of magnesium (seventh-most element present on the planet), not to pollute the environment, be cheap and have high specific energy. These characteristics transform this accumulator in a potential substitute for other technologies. However, the magnesium battery has disadvantages that need to be overcome through research to leverage their massive commercial use. From this point of view, this study proposes the characterization of magnesium alloy AZ91 for application in batteries Magnesium Air, testing the porosity and hardness, as well as microstructural analysis, and the measurement of the open potential circuit and the potentiodynamic polarization, in various immersion times using an electrochemical cell with three electrodes. The porosity of the part, observed in the optical microscope, revealed that at each stage of solidification, the pores have different sizes and distribution. As the cooling process occurs, could observe the presence of larger pores. Associated to the porosity, hardness values were higher in the initial phase of solidification, where the porosity was less. Through microstructural analysis was verified the presence of dendrites, with a complex dispersion of second phase in the alloy (aluminum), porosity and inclusions. The open potential circuit indicated a tendency for corrosion resistance in greater immersion time in the solution of NaCl. In all cases, the potentiodynamic polarization curves did not exhibit apparent passivity, or points of localized corrosion (pitting). The changes in corrosion potential showed greater resistance to corrosion in immersion times larger, however, the steady state values of corrosion current density demonstrated that the corrosion rate remained constant and the oxide layer formed did not protect the material. For use in magnesium batteries, these results provided a limitation of the AZ91 alloy, because the oxide layer can disturb the functioning of the device in cases of intermittent discharge. The main ways to control the battery efficiency Magnesium Air are through the alloy composition, oxygenation, ph, temperature and salt concentration of NaCl in the electrolyte. Keywords: Energy storage systems, magnesium air batteries, magnesium alloy AZ91, characterization.
LISTA DE FIGURAS Figura 1 Acumuladores de energia na indústria de energia elétrica... 24 Figura 2 Aplicação de acumuladores de energia nas redes... 27 Figura 3 Eletrólise... 28 Figura 4 Exemplo de pilha... 29 Figura 5 Diferentes tipos de baterias... 33 Figura 6 Exemplo de bateria metal-ar... 37 Figura 7 Distribuição mundial das reservas de magnesita... 39 Figura 8 Célula utilizada pela Alcan.... 41 Figura 9 Bateria Magnésio Água do mar... 51 Figura 10 Bateria Magnésio Ar... 52 Figura 11 Lingote de magnésio Liga AZ91, destacando-se (a) como recebido pelo fornecedor; (b) e o lingote na bancada... 57 Figura 12 Reagentes, equipamentos e processo de preparo da solução de NaCl 0,1 M no laboratório de pesquisa da UFABC, sendo (a) o NaCl (Cromato Produtos Químicos Ltda); (b) a balança analítica; (c) agitação magnética; (d) e, por fim, o uso do balão volumétrico para completar o volume da solução... 58 Figura 13 Lixadeiras Arotec Aropol 2V... 58 Figura 14 Potenciostato/Galvanostato Ivium n-stat... 59 Figura 15 Célula eletroquímica para montagem com 3 eletrodos... 59 Figura 16 Corte do lingote para avaliação da porosidade, destacando-se em (a) o corte do lingote; (b) e a amostra do lingote para análise após o corte... 60 Figura 17 Diferentes estados da superfície da amostra para avaliação da porosidade, sendo (a) após o lixamento 180; (b) após o lixamento 220; (c) após o lixamento 400; (d) e após o lixamento 600... 60 Figura 18 Amostra no banho ultrassônico... 61
Figura 19 Amostra finalizada e pontos de observação, sendo (a) o início de solidificação do lingote; (b) a fase intermediária de solidificação; (c) e a fase final de solidificação... 61 Figura 20 Amostra no durômetro durante ensaio... 62 Figura 21 Corte do lingote para avaliação da microestrutura... 63 Figura 22 Corte transversal e longitudinal na amostra, destacando-se em (a) a amostra para análise transversal; (b) a amostra para análise longitudinal... 63 Figura 23 Corte com arco de serra... 63 Figura 24 Corte transversal e longitudinal... 64 Figura 25 Embutimento das amostras... 64 Figura 26 Lixamento e polimento das amostras, sendo (a) após o lixamento final 600; (b) após o polimento... 64 Figura 27 Montagem da célula eletroquímica, destacando-se em (a) o encaixe do eletrodo de magnésio com o contato elétrico; (b) e o eletrodo de magnésio encaixado... 66 Figura 28 Arranjo das células no potenciostato... 66 Figura 29 Representação gráfica do método de Tafel... 67 Figura 30 Representação esquemática do processo de solidificação do lingote. Em (a) o metal encontra-se totalmente líquido; (b) início da solidificação na região do molde; (c) contração sólida; (d) e final do processo de solidificação... 68 Figura 31 Representação esquemática das zonas macroestruturais... 68 Figura 32 Análise de porosidade do lingote com ampliação de 50 vezes, sendo (a) a porosidade no início da solidificação; (b) a porosidade na fase intermediária de solidificação; (c) e a porosidade na fase final de solidificação... 70 Figura 33 Análise de dureza (ampliação de 50 X), destacando-se (a) a calota no início da solidificação; (b) a calota na fase intermediária de solidificação; (c) e a calota na fase final de solidificação... 72 Figura 34 Crescimento de sólido com interface sólido líquido não plano... 73 Figura 35 Forma tridimensional das dendritas... 73 Figura 36 Amostra sem ataque químico com ampliação de 100x após o lixamento e o polimento... 74
Figura 37 Ataque químico com nital 3% sob diferentes condições, sendo (a) corte longitudinal e ampliação de 50x; (b) corte transversal e ampliação de 50x; (c) corte longitudinal e ampliação de 100x; (d) e corte transversal e ampliação de 100x... 75 Figura 38 Ataque químico com ácido acético 10% sob diferentes condições, sendo (a) corte longitudinal e ampliação de 50x; (b) corte transversal e ampliação de 50x; (c) corte longitudinal e ampliação de 100x; (d) e corte transversal e ampliação de 100x... 76 Figura 39 Variação do potencial de circuito aberto para a liga AZ91 em solução de NaCl em diferentes tempos de imersão... 77 Figura 40 Corrosão na amostra (tempo de imersão de 7 dias em NaCl)... 78 Figura 41 Curvas de polarização potenciodinâmica para a liga AZ91 em solução de cloreto de sódio (NaCl 0,1 M) em diferentes tempos de imersão. Taxa de varredura: 0,167 mv/s e step: 0,18 mv... 80
LISTA DE TABELAS Tabela 1 Tecnologias de acumulação forma de armazenamento... 25 Tabela 2 Principais Sistemas Acumuladores de Energia Elétrica... 26 Tabela 3 Parâmetros físicos para caracterização de baterias... 32 Tabela 4 Tecnologias de baterias características usadas por empresas de energia elétrica... 33 Tabela 5 Principais propriedades do magnésio... 38 Tabela 6 Principais matérias-primas utilizadas na fabricação do magnésio... 39 Tabela 7 Produção e reservas para os principais países... 40 Tabela 8 Principais tecnologias de produção do magnésio... 41 Tabela 9 Principais tipos de agentes redutores utilizados... 42 Tabela 10 Processos de redução térmica... 42 Tabela 11 Comparação entre o método de eletrólise e o de redução térmica... 43 Tabela 12 Principais elementos utilizados nas ligas de magnésio... 45 Tabela 13 Principais ligas magnésio alumínio e limites de tolerância à contaminação... 46 Tabela 14 Principais tipos de corrosão... 47 Tabela 15 Classificações de rejeitos de magnésio... 48 Tabela 16 Principais processos de reciclagem... 49 Tabela 17 Vantagens e desvantagens da célula metal ar... 50 Tabela 18 Metais, capacidades específicas, tensões e energias específicas... 50 Tabela 19 Dureza Brinell... 71 Tabela 20 Medidas de potencial de circuito aberto da liga AZ91... 77 Tabela 21 Potencial de corrosão e densidade de corrosão da liga AZ91 em solução de NaCl (0,1 M) em diferentes tempos de imersão... 81
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CEM CH 3 COOH Cl E CA E CORR EESS ESS f.e.m. HCl HNO 3 i CORR MET MEV Mg Mg(OH) 2 MO NaCl PHS PIB SAE SAEE SD ST Central multiusuário Ácido acético Cloro Potencial de circuito aberto Potencial de corrosão Electrical Energy Storage System Energy Storage System Força Eletromotriz Ácido clorídrico Ácido nítrico Densidade de corrente de corrosão Microscopia Eletrônica de Transmissão Microscopia Eletrônica de Varredura Magnésio Hidróxido de magnésio Microscopia Óptica Cloreto de sódio Pumped Hydroelectric Storage Produto Interno Bruto Sistema Acumulador de Energia Sistema Acumulador de Energia Elétrica Sistema de Distribuição Sistema de Transmissão
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO... 20 2. OBJETIVO... 22 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 23 3.1. Energia Acumuladores e Sistemas Elétricos... 23 3.1.1. Acumuladores de energia... 25 3.1.1.1. Baterias... 27 3.2. Magnésio como material para produção de baterias... 38 3.2.1. Produção do Magnésio... 40 3.2.2. Refino do Magnésio... 44 3.2.3. Produção de Ligas de Magnésio... 44 3.2.4. Corrosão do magnésio... 46 3.2.5. Reciclagem do Magnésio... 48 3.3. Baterias de Magnésio Ar... 49 4. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS... 54 4.1. Principais técnicas de avaliação morfológica e eletroquímica... 54 4.2. Metodologia... 57 4.2.1. 4.2.2. 4.2.2.1. 4.2.2.2. 4.2.2.3. 4.2.2.4. Materiais... 57 Métodos... 59 Avaliação da porosidade... 59 Determinação da dureza... 61 Análise da microestrutura... 62 Preparo da célula eletroquímica... 65 4.2.2.4.1. Potencial de circuito aberto... 66 4.2.2.4.2. Polarização potenciodinâmica... 67 4.3. Resultados... 68
4.3.1. Análise de porosidade... 68 4.3.2. Análise de dureza... 71 4.3.3. Análise microestrutural... 73 4.3.4. Medidas de potencial de circuito aberto... 77 4.3.5. Medidas de polarização potenciodinâmica... 78 5. CONCLUSÃO... 83 6. TRABALHOS FUTUROS... 85 REFERÊNCIAS... 86
1. INTRODUÇÃO No contexto energético, as mudanças climáticas têm provocado crescentes debates e discussões internacionais com o objetivo de reduzir as emissões de gases de efeito estufa, como observado nas resoluções do protocolo de Kyoto. Ao mesmo tempo, a sociedade tornou-se dependente do consumo de energia elétrica, de modo que, segundo Dalkaine et al. (2006), falhas no fornecimento não são permitidas, especialmente nos hospitais, nos bancos e nas centrais telefônicas, entre outros. Portanto, observa-se a necessidade da energia ofertada ser de boa qualidade e, principalmente, não sofrer interrupções. As redes precisam ser mais confiáveis, eficientes, ambientalmente corretas e necessitam dar suporte à geração distribuída e à integração com os acumuladores de energia. Nesse contexto, têm-se os desafios com a mudança para as smart grids, que são redes inteligentes de transmissão e de distribuição de energia. Essa transição na tecnologia e na filosofia de operações representa o maior obstáculo já enfrentado pelas indústrias elétricas (IPAKCHI; ALBUYEH, 2009). Relacionado a isto, o uso dos Sistemas Acumuladores de Energia (SAEs), ou Energy Storage Systems (ESS), pode ser de grande valia a fim de otimizar a utilização das fontes de alimentação, aliviar o congestionamento nas redes de distribuição, melhorar o mercado de geração de energias renováveis e prevenir perdas na qualidade de energia entregue ao consumidor (BAXTER, 2002). Desta forma, a Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) e as inovações na área de acumuladores de energia são essenciais para conferir melhorias para este cenário, principalmente visando o cuidado com o meio ambiente e o desenvolvimento sustentável. O fato da eletricidade ser de difícil armazenamento e de haver oscilações na sua demanda, associado à crescente escassez de energia utilizável, contribuiram para que algumas tecnologias alternativas, como a bateria de Metal Ar, fossem consideradas fontes promissoras de energia elétrica. As baterias de metal-ar são baratas e ambientalmente corretas, no entanto, a principal desvantagem refere-se à recarga, que até o momento não se mostrou viável (CHEN et al., 2009; SHTERENBERG et al., 2014). No caso da bateria de Magnésio ar, objeto de estudo do presente trabalho, as vantagens incluem energia específica alta, baixo peso, menor custo, ser reciclável e não poluir o meio ambiente. Ainda segundo Martínez (2012), o magnésio (Mg) representa 2% da crosta terrestre, o que faz deste metal o sétimo elemento químico mais abundante da Terra. Essas 20
características tornaram a bateria Mg ar uma potencial substituta para as convencionais tecnologias de baterias, inclusive as de íon-lítio. Contudo, a bateria de magnésio possui desvantagens, como o baixo desempenho em descargas intermitentes, que podem comprometer o seu uso comercial quando comparada a outras tecnologias (JARVIS, 1992). Outro fator limitante é a corrosão das ligas de magnésio, pois estas apresentam baixa resistência a corrosão, devido ao fato do magnésio ser o metal mais anódico dentre os materiais estruturais. Para resolver este e outros desafios, como a difícil recarga (SHTERENBERG et al., 2014), novas pesquisas estão sendo realizadas em diversas aplicações, como identificado por meio do estudo de caso da Toyota, que está realizando pesquisas na área para a aplicação em veículos híbridos, onde a recarga é necessária (NONAKA; PELTOKORPI, 2009). O foco da Toyota é desenvolver baterias de magnésio secundárias, consideradas promissoras por diversos autores em vários artigos, inclusive por Orikasa et al. (2014), num artigo publicado na revista Nature. Estes fatores justificam a busca por conhecimentos e o desenvolvimento de novas pesquisas em baterias de magnésio. Por meio dos ensaios experimentais realizados, foi possível evidenciar as características mecânicas do lingote da liga AZ91, que influenciam nas demais propriedades, bem como as propriedades eletroquímicas que regem o comportamento da geração de energia elétrica na bateria. Foram realizadas análises de porosidade, de dureza, de microestrutura, assim como, medidas de potencial de circuito aberto (potencial estabelecido espontaneamente na superfície do metal em contato com o ambiente) e medidas de polarização potenciodinâmica (potencial de corrosão e densidade de corrente de corrosão do material), para avaliar a aplicação da liga AZ91 em baterias de magnésio. A fim de apresentar a pesquisa realizada, este trabalho está dividido em seis partes, incluindo a presente introdução; os objetivos; a revisão bibliográfica, composta pelas definições de acumuladores de energia elétrica, informações referentes ao magnésio e pelos conceitos de baterias magnésio ar; os procedimentos experimentais; a conclusão; e, finalmente, as sugestões para trabalhos futuros. 21
2. OBJETIVO O objetivo deste trabalho é realizar uma caracterização da liga de magnésio AZ91 para aplicação em baterias de magnésio ar. Para isto, desenvolveram-se ensaios experimentais, para obter a caracterização mecânica e eletroquímica da amostra, avaliando-se o uso desta liga para aplicações futuras em baterias magnésio ar. Os principais objetivos específicos são: Analisar a porosidade, a dureza e a microestrutura da liga. Medir o potencial de circuito aberto na célula eletroquímica de três eletrodos Analisar as curvas de polarização potenciodinâmica, verificando a ocorrência de fenômenos de passivação e corrosão do material, por meio do potencial de corrosão e da densidade de corrente de corrosão, relacionando-se à aplicação da liga em baterias de metal ar. 22
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capítulo são apresentados os principais conceitos, envolvendo os acumuladores de energia, bem como as principais informações referentes à produção, refino, corrosão e reciclagem do magnésio. Em seguida, apresenta-se a definição de bateria de magnésio ar, um tipo específico de acumulador de energia que é o objeto de estudo do presente trabalho. 3.1. Energia Acumuladores e Sistemas Elétricos A eletricidade, assim como outras commodities como o gás, o aço e a água, é difícil de armazenar. Com as oscilações na sua demanda, que podem ser durante o dia ou ao longo dos meses do ano, a demanda máxima é atingida apenas algumas horas por ano (VILLAR, 2010). Simultaneamente, com a crescente escassez de energia utilizável, novas fontes energéticas mais eficientes estão sendo desenvolvidas (HUAN; ZHU; SHEN, 2012). Essas constatações são algumas das principais razões para que os sistemas de geração de eletricidade sejam construídos para operar de forma que a produção sempre corresponda ao consumo. Assim, a geração deve estar sempre pronta para atender a demanda máxima, mesmo que esta ocorra em pequenos períodos. Com isso, diversas usinas elétricas são subutilizadas, diminuindo a eficiência do sistema, e a produção de eletricidade é centralizada, ficando geralmente afastada dos grandes centros consumidores (LINDEN, 2006). O fato da geração estar longe da demanda também acarreta perdas com a transmissão e possíveis falhas no abastecimento, uma vez que o caminho a ser percorrido até os consumidores é grande e exige constantes manutenções no sistema. Por outro lado, a sociedade tornou-se dependente do consumo de energia elétrica para a produção de bens e serviços, tanto na automação industrial, como no armazenamento e processamento de dados, e também nos sistemas modernos de telecomunicações. Esta necessidade, segundo Dalkaine et al. (2006), não permite que falhas no fornecimento sejam toleradas. O autor cita como exemplos os hospitais, bancos e até as centrais telefônicas, que são compostas por grandes sistemas informatizados que dependem fortemente de energia de boa qualidade e, principalmente, sem sofrer interrupções, já que estas podem causar graves prejuízos (perdas econômicas, materiais e até mesmo humanas). Segundo Baxter (2002), o uso de SAEs pode desacoplar a demanda da produção isolada e ajudar a vencer alguns desafios, como melhorar a baixa utilização das fontes de alimentação, aliviar o congestionamento nas redes de distribuição, melhorar o mercado de 23
geração de energias renováveis e prevenir perdas na qualidade da energia entregue ao consumidor, que segundo Deckmann e Pomilio (2010), pode ser entendida como uma medida de quão bem a energia elétrica pode ser utilizada pelos consumidores, incluindo características como continuidade de suprimento e conformidade com os parâmetros desejáveis para a operação segura. O uso de SAEs pode ser associado aos sistemas de geração tradicionais em larga escala. Desta forma, o sistema tradicional deve ser projetado para possuir uma capacidade de geração que atenda a demanda média, enquanto que o sistema acumulador fornece eletricidade nos momentos de picos. Esta configuração aumenta a eficiência do processo, uma vez que reduz a necessidade de centrais com capacidade instalada muito superior à demanda média. A Figura 1 demonstra o funcionamento dos SAEs em conjunto com a indústria de energia elétrica. Figura 1 Acumuladores de energia na indústria de energia elétrica Fonte: Adaptado de Baxter (2002) O uso de SAEs em larga escala, como esquematizado na Figura 1, pode evitar alguns problemas, como o blackout ocorrido no Brasil em Novembro de 2009, que afetou mais de 60 milhões de pessoas e trouxe diversos prejuízos. As vantagens decorrentes do uso incluem maior eficiência do sistema, maior segurança, uso otimizado dos recursos, menores emissões de poluentes, entre outros. Ainda no contexto brasileiro, os dados da Empresa de Pesquisa Energética (2013) apontam que em 2012 a geração de energia elétrica no Brasil atingiu 552,5 TWh, 3,9% superior ao de 2011. A fonte principal é a hidrelétrica e a oferta interna foi de 592,8 TWh, levando-se em conta a importação de 40,3 TWh. No entanto, o consumo final foi de 498,4 TWh. 24
Segundo Tolmasquim (2011), é importante ressaltar que a geração e o consumo são fenômenos físicos, enquanto que a comercialização é um fenômeno contratual e contábil que possui um lastro (garantia física que cada gerador pode comprometer nos seus contratos de compra e venda de energia) e diferenças entre a demanda e a oferta podem ocorrer em virtude disso. Outro fator, já mencionado anteriormente, é o excesso de produção em contrapartida com a demanda, que oscila periodicamente. A seguir serão detalhadas as definições de acumuladores de energia, assim como a de bateria, que é um tipo especifico de acumulador. 3.1.1. Acumuladores de energia Existem diversas definições de acumuladores de energia, que englobam diferentes aplicações, no entanto, nesse trabalho o foco é nos denominados Sistemas Acumuladores de Energia Elétrica (SAEEs) ou, do inglês, Electrical Energy Storage Systems (EESSs). De acordo com Chen et al. (2009), a história dos SAEs começou no início do século XX, com sistemas que eram capazes de estocar energia elétrica na forma de cargas e eram descarregados conforme a necessidade. Neste período, as estações de energia eram desligadas durante a noite e os acumuladores de chumbo-ácido supriam a demanda das residências com redes de corrente contínua. Segundo Suberu, Mustafa e Bashir (2014), existem quatro tipos de dispositivos acumuladores de energia, sendo (1) os mecânicos (como o caso da hidrelétrica reversível), (2) os elétricos (capacitores, supercapacitores), (3) os químicos (termoquímicos e eletroquímicos), (4) e os térmicos (sistemas acumuladores de altas e baixas temperaturas). Chen et al. (2009) afirmam que, como a eletricidade não é facilmente armazenada, ela pode ser acumulada nessas outras formas e convertida de volta quando necessário. A Tabela 1 apresenta os principais tipos de acumuladores e alguns exemplos com base na forma de armazenamento. Tabela 1 Tecnologias de acumulação forma de armazenamento Tipo de armazenamento (Acumuladores de energia) Elétrica Mecânica Química Térmica Descrição e exemplos Acúmulo de energia eletrostática por meio de capacitores, supercapacitores, supercondutores magnéticos Acumuladores de energia cinética e potencial, como as hidrelétricas reversíveis (PHS) Energia eletroquímica (as tradicionais baterias, como chumbo-ácido, células combustíveis, baterias metal-ar, energia termoquímica) Armazenamento de energia em baixas temperaturas e altas temperaturas Fonte: Elaborado a partir de Chen et al. (p. 294, 2009) 25