Um conjunto surpreendente de materiais poderá em breve ajudar a fabricar aparelhos de ar-condicionado mais eficientes que não sobrecarreguem a rede elétrica em dias quentes.
Como o calor extremo continua a bater recordes em todo o mundo, espera-se que a demanda de eletricidade para ar-condicionado triplique nas próximas décadas — um aumento de cerca de 4.000 terawatts-hora entre 2016 e 2050, de acordo com a Agência Internacional de Energia, ou aproximadamente a mesma demanda de eletricidade de toda a rede elétrica dos EUA em 2022.
É por isso que a corrida para construir ares-condicionados mais eficientes tem se tornado cada vez mais urgente. Enquanto algumas empresas estão concentradas em melhorar os projetos existentes, outras buscam sistemas totalmente novos que usam materiais chamados dessecantes. Esses sistemas poderiam resfriar com mais eficiência, mesmo em condições extremas de calor e umidade, reduzindo o estresse na rede elétrica.
Um ar condicionado típico resfria espaços internos bombeando um resfriador em um ciclo e por meio de trocadores de calor, absorvendo o calor do ar interno e liberando-o no exterior. (As bombas de calor funcionam da mesma forma, operando na direção oposta ou em sistemas reversíveis que podem tanto aquecer quanto resfriar).
Essa abordagem, chamada de compressão de vapor, tem mais de 100 anos e o projeto básico não mudou muito desde a sua invenção, diz Ankit Kalanki, gerente do programa de edifícios livres de carbono do Rocky Mountain Institute, um think tank de energia sem fins lucrativos. Bombear o refrigerador e comprimi-lo o suficiente para transportar o calor para fora requer muita energia, especialmente quando as temperaturas estão muito altas.
Os sistemas de compressão de vapor também lidam com a umidade e o calor juntos, o que é outra desvantagem. Manter o conforto de um edifício tem muito a ver com a manutenção de um ambiente com baixa umidade, diz Kalanki, mas os aparelhos de ar condicionado precisam resfriar o ar para retirar a umidade dele. Sem um sistema designado para lidar com a umidade, diz ele, os edifícios costumam ser “resfriados em excesso”, o que pode representar uma enorme carga de energia.
Os sistemas que lidam com a desumidificação e o resfriamento separadamente poderiam manter as temperaturas dos edifícios confortáveis com menos energia e permitir mais flexibilidade em diferentes ambientes. E um número cada vez maior de startups está buscando dessecantes para conseguir exatamente isso.
Por dentro da tecnologia
Os dessecantes são materiais que sugam a umidade. Os grânulos de sílica contidos nos pacotinhos que acompanham bolsas e sapatos novos são um tipo de dessecante, projetado para manter os produtos secos enquanto são transportados pelo mundo.
Outros tipos de dessecantes poderiam ser adicionados aos projetos existentes de condicionadores de ar, absorvendo a água do ar e reduzindo a energia necessária para manter os ambientes confortáveis. A Transaera, uma spinout do MIT fundada em 2018, está desenvolvendo um sistema híbrido que usa um tipo de material chamado estruturas orgânicas metálicas. A adição dos materiais aos aparelhos de ar condicionado baseados em compressão de vapor pode permitir que o sistema da empresa use 35% menos energia do que os modelos comuns, de acordo com o CEO da Transaera, Sorin Grama.
Mas outras empresas estão procurando usar dessecantes em sistemas de resfriamento que substituiriam completamente os aparelhos de ar-condicionado dos tradicionais. A startup Blue Frontier, sediada na Flórida, por exemplo, está usando dessecantes líquidos para criar sistemas de resfriamento. O ingrediente principal é diferente dos grânulos de sílica das embalagens de calçados, mas a comparação é comum. “Recebemos muito isso”, diz Matt Tilghman, cofundador e diretor de tecnologia da empresa.
Em vez de pequenos grânulos de sílica, a tecnologia de resfriamento da Blue Frontier se baseia em uma solução salina tão concentrada que pode extrair a umidade do ar.
Veja como funciona o sistema de resfriamento da Blue Frontier: primeiro, um fluxo de ar passa por um canal e por uma fina camada de dessecante que retira a umidade do ar. Em seguida, o ar agora seco passa por uma etapa de resfriamento evaporativo que reduz a temperatura do ar (basicamente da mesma forma que o suor resfria a pele).
Na etapa de resfriamento evaporativo, o ar é dividido em dois fluxos. Um deles passa por uma fina camada de água, que absorve energia e reduz a temperatura do ar. Esse ar mais frio e úmido é usado para resfriar uma superfície metálica, que, por sua vez, suga o calor do outro fluxo de ar ainda seco. O ar úmido é canalizado para fora e o ar frio e seco é soprado para dentro do edifício.
A evaporação é um método de resfriamento eficiente, usado em dispositivos de baixo custo chamados resfriadores a ar (também chamados de resfriadores a vapor ou resfriadores evaporativos), que podem usar 80% menos eletricidade do que os aparelhos de ar-condicionado comuns. Esses dispositivos geralmente adicionam umidade ao ar para resfriá-lo, o que só funciona quando se começa com ar seco, portanto, seu uso normalmente é limitado a ambientes secos, como o sudoeste dos EUA.
Ao combinar resfriamento evaporativo com dessecantes, o sistema da Blue Frontier pode funcionar em praticamente qualquer clima, diz Tilghman. Suas operações podem ser ajustadas para lidar com mudanças no clima ou no ponto de ajuste do termostato, alterando o equilíbrio entre resfriamento e desumidificação, o que poderia ajudar a obter mais ganhos de eficiência. A abordagem da empresa deve ser capaz de reduzir o uso anual de eletricidade em um total de 50% a 80% em comparação com um sistema de ar-condicionado convencional, dependendo do ambiente, diz Tilghman.
Uma situação de risco
Os dessecantes líquidos às vezes são usados para desumidificar armazéns ou fábricas que precisam manter controles rigorosos sobre a umidade do ar, como na fabricação de produtos farmacêuticos ou eletrônicos. Mas eles não têm sido amplamente usados em resfriamento, em parte porque são caros. Um padrão do setor, o cloreto de lítio, está sujeito a aumentos de preços e limitações de fornecimento devido à demanda por ele nas baterias de íons de lítio. Os materiais também podem ser corrosivos. (A Blue Frontier está usando um novo dessecante que deve resolver essas preocupações, diz Tilghman).
Um dos maiores obstáculos para a disseminação do resfriamento por dessecante tem sido a necessidade de um método para recarregar os materiais de forma eficiente. Os dessecantes são como esponjas — eles podem absorver uma quantidade limitada de água antes de precisarem ser espremidos ou regenerados.
Portanto, além das peças que secam e resfriam o ar, um sistema de resfriamento por dessecante precisa de uma seção que possa regenerar o dessecante, liberando a água em outro fluxo de ar que, por sua vez, é liberado para o exterior.
A maioria dos dessecantes pode ser regenerada por meio de aquecimento, o que libera a água do material, mas essa etapa pode consumir muita energia e geralmente envolve sistemas de caldeiras movidas a combustível fóssil.
Em vez disso, a Blue Frontier usa uma bomba de calor para regenerar seu dessecante. A bomba de calor aumenta a demanda de energia, mas enquanto o sistema de resfriamento pode funcionar continuamente durante um dia quente de verão, o sistema de regeneração pode funcionar à noite ou durante a madrugada, quando há menos estresse na rede e os preços da eletricidade são mais baixos, diz Tilghman. A compensação da regeneração significa que o sistema da Blue Frontier pode ajudar a reduzir a demanda de energia de pico entre 80% e 90%.
Outras startups estão procurando se livrar completamente da necessidade de calor. A Zephyr, sediada em Boston, espera usar membranas para filtrar a água dos dessecantes líquidos e regenerá-los, semelhante ao processo usado para retirar o sal da água em instalações de dessalinização.
A Zephyr demonstrou partes de seu sistema em julho e planeja montar um protótipo completo em escala de laboratório de um sistema de resfriamento ainda este ano. Seu dispositivo de resfriamento por dessecante poderia usar cerca de 45% menos eletricidade do que os melhores ares-condicionados por compressão de vapor do mercado atual, diz Jacob Miller, cofundador e diretor de tecnologia da Zephyr.
A Blue Frontier tem dois sistemas de resfriamento de demonstração em funcionamento, um na Flórida e outro no Canadá, e a empresa tem planos de instalar várias dezenas de outros no final de 2023 e 2024, diz Tilghman.
Ambas as startups estão se concentrando primeiramente em sistemas para edifícios comerciais maiores, mas no futuro os sistemas poderão ser adaptados para casas e até apartamentos individuais, diz Tilghman. Os primeiros sistemas da Blue Frontier serão mais caros do que os condicionadores de ar existentes no início, acrescenta ele, embora devam compensar a economia de energia dentro de três a cinco anos.
O acesso à tecnologia de resfriamento eficiente pode ser crucial para ajudar mais pessoas a viver e trabalhar em ambientes seguros sem sobrecarregar as redes. “Se observarmos o mundo em aquecimento, a forma como as temperaturas estão subindo, é preciso que as pessoas tenham acesso à refrigeração”, diz Kalanki. “Não se trata apenas de uma questão de conforto térmico ou de se sentir produtivo, mas também de uma questão de equidade agora.”
MIT Technology Review
