Cerâmica avançada em tecnologias de energia verde

O mundo está passando por uma profunda transformação em direção a soluções de energia sustentável, impulsionada pela necessidade de combater as mudanças climáticas, reduzir as emissões de gases de efeito estufa e fazer a transição para fontes renováveis de energia. Entre os materiais mais promissores nessa transição estão as cerâmicas avançadas, que oferecem propriedades excepcionais que as tornam indispensáveis em uma série de tecnologias de energia verde.

1. Sistemas de energia solar

A geração de energia solar tornou-se uma das formas mais aceitas de fontes de energia renovável em todo o mundo. As cerâmicas avançadas têm uma função importante no aprimoramento dos recursos de desempenho das células de energia solar e dos sistemas térmicos solares.

• Células fotovoltaicas: Nas células solares fotovoltaicas, materiais como revestimentos cerâmicos ajudam a aumentar a eficiência e a vida útil das células solares. O uso de filmes de cerâmica também foi considerado um substituto para materiais de silício em células solares. Os filmes ajudam a aumentar a taxa de absorção da luz solar e também trabalham para minimizar as perdas por meio da dissipação de calor.
• Usinas de energia solar térmica: Nas usinas de energia solar térmica, as cerâmicas avançadas são empregadas em trocadores de calor e tubos de absorção solar. Os materiais cerâmicos, como os compostos cerâmicos, têm boa resistência a temperaturas elevadas e ambientes agressivos, aumentando assim a eficiência total das usinas de energia solar térmica.
• Revestimentos cerâmicos para refletores: Os revestimentos reflexivos de cerâmica são aplicados a espelhos encontrados em usinas de energia solar concentrada. Essa tecnologia é usada para aumentar a refletividade dos espelhos encontrados nas usinas de energia solar concentrada.

2. Energia eólica

A energia eólica é outro componente importante no setor de energia renovável. Os avanços em materiais cerâmicos têm desempenhado um papel importante em vários aspectos dos componentes de turbinas eólicas para produzir sistemas mais eficientes e duráveis.

• Rolamentos e caixas de engrenagens: Os rolamentos e as caixas de engrenagens usados em turbinas eólicas são propensos à abrasão e ao estresse mecânico. As cerâmicas de nitreto de silício e zircônia são usadas para produzir rolamentos mais duráveis e com menos atrito. Os materiais cerâmicos são usados para criar rolamentos mais eficientes e que exigem menos manutenção do que antes.
• Compostos usados em lâminas: Os compostos de matriz cerâmica são usados em pás de turbinas eólicas para melhorar suas propriedades de resistência. A adição de cerâmica aos compostos permite que as pás eólicas resistam a ambientes adversos e às forças da natureza, tornando-as mais duráveis.

3. Sistemas de armazenamento de energia

O armazenamento de energia é um aspecto fundamental dos sistemas de energia verde, especialmente porque as fontes renováveis intermitentes, como a energia solar e eólica, exigem soluções de armazenamento eficientes para equilibrar a oferta e a demanda. As cerâmicas avançadas são fundamentais para melhorar o desempenho das tecnologias de armazenamento de energia, incluindo baterias, supercapacitores e volantes de inércia.

• Baterias de íons de lítio: O uso de materiais cerâmicos avançados em baterias de íon-lítio as torna apropriadas para uso em veículos elétricos (VE) e sistemas de armazenamento de energia renovável. A cerâmica em baterias de íon-lítio melhora o desempenho, aumentando a segurança, elevando o nível de densidade de energia e aumentando a vida útil das baterias de íon-lítio.
• Baterias de estado sólido: Uma das áreas mais promissoras da tecnologia de armazenamento de energia é o desenvolvimento de baterias de estado sólido, que substituem os eletrólitos líquidos tradicionais por materiais cerâmicos. As baterias de estado sólido são muito melhores do que as baterias de íons de lítio, pois são mais seguras e mais densas em energia, além de terem uma longa vida útil. As baterias de estado sólido de cerâmica de lítio e de cerâmica de sódio estão em desenvolvimento.
• Supercapacitores: Os supercapacitores, que dependem do armazenamento de energia por campo eletrostático, exigem cerâmicas de alta qualidade para eletrodos e dielétricos em supercapacitores. As cerâmicas avançadas aumentam a eficiência do ciclo de carga e descarga e os recursos de armazenamento dos supercapacitores e os tornam dispositivos de armazenamento em potencial para energias renováveis.
• Volantes de inércia: Os volantes de inércia são usados para armazenamento e estabilização de energia de curto prazo em redes de energia. As cerâmicas avançadas são usadas nos rotores dos volantes de inércia devido à sua alta força e resistência ao desgaste e ao choque térmico. Os materiais cerâmicos ajudam a melhorar a eficiência dos volantes de inércia, permitindo que eles operem em altas velocidades sem degradação.

4. Células de combustível

As células de combustível são uma alternativa cada vez mais popular aos motores de combustão tradicionais no transporte e na geração de energia estacionária, convertendo energia química diretamente em energia elétrica. As cerâmicas avançadas são fundamentais para o desenvolvimento de células de combustível de alta eficiência, como as células de combustível de óxido sólido (SOFCs) e as células de combustível de carbonato fundido (MCFCs).

• Materiais eletrolíticos: Nas SOFCs, as cerâmicas de alto desempenho funcionam como material eletrolítico que facilita a passagem de íons de oxigênio do ânodo para o cátodo. A zircônia estabilizada com ítria (YSZ), uma cerâmica, é empregada principalmente devido às suas propriedades de condutividade e estabilidade em altas temperaturas.
• Materiais do ânodo e do cátodo: O ânodo e o cátodo das células de combustível geralmente são feitos de cerâmica avançada. Os compostos cerâmicos também são usados porque melhoram a eficiência da célula de combustível, funcionando de forma eficaz sob temperaturas e pressões mais altas.
• Durabilidade e eficiência: O emprego de cerâmicas modernas em componentes de células de combustível melhora tanto a durabilidade quanto os níveis de eficiência das células de combustível. As cerâmicas são capazes de tolerar calor extremo e propriedades corrosivas associadas às células de combustível e, portanto, são um dos materiais vitais usados nos esforços para desenvolver tecnologia de energia limpa.

5. Sistemas de energia geotérmica

Os sistemas de energia geotérmica aproveitam o calor natural da Terra para gerar eletricidade. As cerâmicas avançadas são usadas em usinas de energia geotérmica para melhorar o desempenho dos principais componentes, como lâminas de turbina, trocadores de calor e sistemas de tubulação.

• Resistência a altas temperaturas: As cerâmicas, especialmente os compostos à base de carbeto de silício (SiC) e zircônia, são usadas em aplicações geotérmicas devido à sua capacidade de suportar as temperaturas extremas encontradas nos poços geotérmicos. Esses materiais evitam a corrosão e a degradação, garantindo a longevidade e a confiabilidade dos sistemas de energia geotérmica.
• Eficiência aprimorada: As cerâmicas avançadas também melhoram a eficiência térmica dos sistemas geotérmicos, aprimorando as propriedades de transferência de calor nos trocadores de calor e evitando a perda de energia em ambientes de alta temperatura.

Conclusão

As cerâmicas avançadas são indispensáveis para o desenvolvimento e a otimização de tecnologias de energia verde. Suas excepcionais propriedades térmicas, mecânicas e elétricas as tornam ideais para uso em sistemas de energia solar, eólica, armazenamento de energia, células de combustível e geotérmica. Com o aumento da demanda por soluções de energia sustentáveis e eficientes, as cerâmicas avançadas continuarão a desempenhar um papel fundamental na formação do futuro da energia verde. Para saber mais sobre cerâmicas avançadas, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).