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Cerca de 12% da demanda global total de energia vem do aquecimento e resfriamento de residências e empresas. Um novo estudo sugere que o uso de água subterrânea para manter temperaturas confortáveis pode reduzir o consumo de gás natural e eletricidade neste setor em 40% nos EUA. demanda durante eventos climáticos extremos.
“Precisamos de armazenamento para absorver a energia flutuante da energia solar e eólica, e a maioria das pessoas está interessada em baterias e outros tipos de armazenamento elétrico. parte da demanda de energia para edifícios”, disse o primeiro autor ATD Perera, ex-pesquisador de pós-doutorado no Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), agora no Andlinger Center for Energy and Environment da Universidade de Princeton.
“Descobrimos que, com o ATES, uma grande quantidade de energia pode ser armazenada por um longo período de tempo”, disse Perera. “Como resultado, a demanda de energia para aquecimento e resfriamento durante períodos extremamente quentes ou frios pode ser atendida sem adicionar uma carga adicional à rede, tornando a infraestrutura de energia urbana mais resiliente.”
O estudo, publicado esta semana na Energia Aplicada, é um dos primeiros exames de como o ATES poderia se encaixar no objetivo maior de descarbonizar os sistemas de energia dos EUA, armazenando energia renovável intermitente para usar quando o sol não está brilhando e as turbinas não estão girando. Depois de construir uma simulação tecnológica e econômica abrangente de um sistema de energia, os autores descobriram que o ATES é uma opção atraente para aquecimento e armazenamento de energia de resfriamento que, juntamente com outras tecnologias, como baterias, poderia ajudar a acabar com nossa dependência de energia de backup derivada de combustíveis fósseis e permitir uma rede totalmente renovável.
Colocando a termodinâmica para funcionar
ATES é um conceito deliciosamente simples que aproveita a propriedade de absorção de calor da água e as características geológicas naturais do planeta. Você simplesmente bombeia água de reservatórios subterrâneos existentes e a aquece na superfície no verão com calor ambiental ou excesso de energia solar ou em qualquer época do ano com vento. Então você bombeia de volta para baixo.
“Na verdade, permanece bastante quente porque a Terra é um isolante muito bom”, explicou o coautor Peter Nico, vice-diretor da Divisão de Geociências de Energia do Berkeley Lab e líder do Domínio de Energia, Água e Infraestrutura Resiliente. “Então, quando você puxa para cima no inverno, meses depois, a água está muito mais quente que o ar ambiente e você pode usá-la para aquecer seus prédios. Ou vice-versa, você pode puxar a água e deixá-la esfriar e então você pode coloque-o de volta no chão e armazene-o até precisar de resfriamento durante os meses quentes de verão. É uma maneira de armazenar energia sob a forma de temperatura no subsolo.
O ATES ainda não é amplamente utilizado nos Estados Unidos, embora esteja ganhando reconhecimento internacional, principalmente na Holanda. Uma grande vantagem é que esses sistemas obtêm energia térmica “gratuita” das mudanças sazonais de temperatura, que podem ser reforçadas pela adição de aquecimento e resfriamento artificiais gerados pela eletricidade. Como tal, eles funcionam muito bem em áreas com grandes flutuações sazonais, mas têm potencial para funcionar em qualquer lugar, desde que haja energia eólica ou solar para conectar. Em relação a outros impactos, os sistemas ATES são projetados para evitar a interferência em recursos críticos de água potável – muitas vezes a água usada vem de aquíferos mais profundos do que o abastecimento de água potável – e não introduz nenhum produto químico na água.
Como ele funciona?
Para obter alguns números concretos estimando quanta energia o ATES poderia economizar na rede elétrica dos EUA e quanto custaria para implantar, a equipe projetou um estudo de caso usando um modelo computacional de um bairro em Chicago. Este bairro virtual foi composto por 58 edifícios residenciais unifamiliares de dois andares com aquecimento e refrigeração residencial típicos que foram conectados a uma simulação de uma rede de energia com múltiplas fontes de energia possíveis e opções de armazenamento, incluindo ATES. Projeções climáticas futuras foram usadas para entender quanto do orçamento total de energia do bairro é consumido atualmente pelas demandas de aquecimento e resfriamento e como isso pode mudar no futuro. Finalmente, uma simulação de microrrede foi projetada para o bairro que incluiu tecnologias de energia renovável e ATES para avaliar a viabilidade tecnoeconômica e a resiliência climática. Reunir todos esses fatores em um modelo não teria sido possível sem a experiência diversificada da equipe nos campos de geociências de energia, ciência do clima e ciência da construção.
Os resultados mostraram que adicionar ATES à rede poderia reduzir o consumo de produtos petrolíferos em até 40%, embora custasse de 15 a 20% a mais do que as tecnologias de armazenamento de energia existentes.
“Mas, por outro lado, as tecnologias de armazenamento de energia estão tendo reduções acentuadas de custo e, depois de apenas alguns anos desenvolvendo o ATES, poderíamos facilmente empatar. É por isso que é muito importante começarmos a investir nessa pesquisa e começar a construir -sistemas protótipos mundiais”, disse Perera.
“O ATES não precisa de espaço em comparação com os sistemas de armazenamento de água ou gelo baseados em tanques acima do solo. O ATES também é mais eficiente e pode ser ampliado para resfriamento ou aquecimento de grandes comunidades em comparação com os sistemas tradicionais de bomba de calor geotérmica que dependem da transferência de calor com o subsolo solo terrestre”, acrescentou Tianzhen Hong, coautor e cientista sênior da Divisão de Tecnologia de Construção e Sistemas Urbanos.
Outro grande benefício do ATES é que ele se tornará mais eficiente à medida que o clima se tornar mais extremo nos próximos anos devido às mudanças climáticas. Os verões mais quentes e os invernos mais rigorosos previstos pelos principais modelos climáticos do mundo terão muitas desvantagens, mas uma vantagem é que eles podem sobrecarregar a quantidade de energia térmica gratuita que pode ser armazenada com o ATES. “É fazer limonada, certo? Se você vai ter esses eventos de calor extremo, é melhor armazenar um pouco desse calor para quando tiver o evento de frio extremo”, disse Nico.
O ATES também tornará a futura rede mais resiliente a interrupções causadas por altas demandas de energia durante ondas de calor – que acontecem com bastante frequência hoje em dia em muitas áreas de alta população dos EUA, incluindo Chicago – porque o resfriamento acionado por ATES usa muito menos eletricidade do que o ar condicionadores, só precisa de energia suficiente para bombear a água.
“É uma coisa muito realista de se fazer e este trabalho foi realmente para mostrar seu valor e como os custos podem ser compensados”, disse Nico. “Essa tecnologia está pronta, por assim dizer. Só precisamos fazer isso.”
Esta pesquisa foi financiada pelo Escritório de Tecnologias Geotérmicas do Departamento de Energia.
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