Eletrificando caldeiras para descarbonizar a indústria

Zach Winn | MIT News

Há mais de 200 anos, a caldeira a vapor ajudou a dar início à Revolução Industrial. Desde então, o vapor tem sido a força vital da atividade industrial em todo o mundo. Hoje, a produção de vapor — criada pela queima de gás, petróleo ou carvão para ferver água — responde por uma porcentagem significativa do uso global de energia na indústria, impulsionando a produção de papel, produtos químicos, farmacêuticos, alimentos e muito mais.

Agora, a startup AtmosZero, fundada por Addison Stark SM ’10, PhD ’14; Todd Bandhauer; e Ashwin Salvi, está adotando uma nova abordagem para eletrificar a caldeira a vapor secular. A empresa desenvolveu uma bomba de calor modular capaz de fornecer vapor industrial a temperaturas de até 150 graus Celsius, funcionando como um substituto direto das caldeiras a combustão.

A empresa afirma que seu primeiro sistema de vapor de 1 megawatt é muito mais barato de operar do que as soluções elétricas disponíveis comercialmente, graças a uma tecnologia de compressores ultraeficiente, que utiliza 50% menos eletricidade do que caldeiras elétricas resistivas. Os fundadores esperam que isso seja suficiente para fazer com que caldeiras a vapor descarbonizadas impulsionem a próxima revolução industrial.

“O vapor é o fluido de trabalho mais importante que já existiu”, diz Stark, que atua como CEO da AtmosZero. “Hoje, tudo é construído em torno da disponibilidade ubíqua de vapor. Eletrificar isso de forma econômica exige inovação que possa escalar. Em outras palavras, exige um produto produzido em massa — e não projetos pontuais.”

Aproveitando o vapor

Stark ingressou no Programa de Tecnologia e Políticas quando chegou ao MIT em 2007. Ele acabou concluindo um mestrado duplo ao adicionar engenharia mecânica aos seus estudos.

“Eu tinha interesse na transição energética e em acelerar soluções que possibilitassem isso”, afirma Stark. “A transição não acontece no vácuo. É preciso alinhar economia, políticas públicas e tecnologia para promover essa mudança.”

Stark permaneceu no MIT para obter seu doutorado em engenharia mecânica, estudando biocombustíveis termoquímicos.

Após o MIT, Stark começou a trabalhar com tecnologias energéticas em estágio inicial na Agência de Projetos de Pesquisa Avançada em Energia do Departamento de Energia dos EUA (ARPA-E), com foco em eficiência na manufatura, no nexo energia-água e na eletrificação.

“Parte desse trabalho envolveu aplicar minha formação no MIT a coisas que praticamente não haviam sido inovadas nos últimos 50 anos”, diz Stark. “Eu estava analisando o trocador de calor. Ele é tão fundamental. Pensei: ‘Como poderíamos reinventá-lo no contexto dos avanços modernos na tecnologia de manufatura?’”

O problema é tão difícil quanto consequente, afetando praticamente todos os cantos da economia industrial global. Mais de 2,2 gigatoneladas de emissões de CO₂ são geradas a cada ano para transformar água em vapor — o que representa mais de 5% das emissões globais relacionadas à energia.

Em 2020, Stark foi coautor de um artigo na revista Joule, com Gregory Thiel SM ’12, PhD ’15, intitulado “Para descarbonizar a indústria, precisamos descarbonizar o calor”. O artigo examinou oportunidades para a descarbonização do calor industrial e despertou em Stark entusiasmo sobre o impacto potencial de uma bomba de calor elétrica padronizada e escalável.

Hoje, a maioria das opções de caldeiras elétricas resulta em aumentos significativos nos custos operacionais. Muitas também utilizam calor residual de fábricas, o que exige adaptações caras. Stark nunca imaginou que se tornaria um empreendedor, mas logo percebeu que ninguém colocaria suas descobertas em prática por ele.

“O único caminho para ver essa invenção chegar ao mundo real era fundar e administrar a empresa”, diz Stark. “É algo que eu não antecipava nem necessariamente queria, mas aqui estou.”

Stark se uniu ao ex-beneficiário da ARPA-E Todd Bandhauer, que vinha desenvolvendo novas tecnologias de compressores de refrigerante em seu laboratório na Universidade Estadual do Colorado, e ao ex-colega da ARPA-E Ashwin Salvi. A equipe fundou oficialmente a AtmosZero em 2022.

“O compressor é o motor da bomba de calor e define a eficiência, o custo e o desempenho”, afirma Stark. “O desafio fundamental de fornecer calor é que, quanto mais sua bomba de calor eleva a temperatura do ar, menor é sua eficiência máxima. Isso esbarra em limitações termodinâmicas. Ao projetar para eficiência ideal nas janelas operacionais que importam para os refrigerantes que usamos, e para a fabricação de precisão de nossos compressores, conseguimos maximizar cada estágio individual de compressão para maximizar a eficiência operacional.”

O sistema pode funcionar com calor residual do ar ou da água, mas não depende de calor residual para operar. Muitas outras caldeiras elétricas dependem desse tipo de calor, mas Stark acredita que isso adiciona complexidade excessiva à instalação e à operação.

Em vez disso, no novo ciclo de bomba de calor da AtmosZero, o calor do ar em temperatura ambiente é usado para aquecer um material líquido de transferência de calor, que evapora um refrigerante para que ele flua por uma série de compressores e trocadores de calor do sistema, atingindo temperaturas altas o suficiente para ferver água, ao mesmo tempo em que recupera calor do refrigerante quando ele atinge temperaturas mais baixas. O sistema pode ser ajustado para cima ou para baixo, integrando-se perfeitamente aos processos industriais existentes.

“Podemos funcionar exatamente como uma caldeira a combustão”, diz Stark. “No fim das contas, os clientes não querem mudar a forma como suas instalações de fabricação operam para eletrificar. Não é possível mudar ou aumentar a complexidade no local.”

Essa abordagem significa que a caldeira pode ser implantada em uma ampla variedade de contextos industriais sem custos exclusivos de projeto ou outras alterações.

“O que realmente oferecemos é flexibilidade e algo que possa ser integrado com facilidade, minimizando os custos totais de capital”, afirma Stark.

De 1 a 1.000

A AtmosZero já possui um sistema piloto de 650 quilowatts operando em uma instalação de um cliente próximo à sua sede em Loveland, no Colorado. A empresa está atualmente focada em demonstrar a durabilidade e a confiabilidade do sistema ao longo de todo o ano, enquanto trabalha para ampliar sua carteira de pedidos e se preparar para escalar.

Stark afirma que, uma vez que o sistema chega à instalação do cliente, ele pode ser instalado em uma tarde e colocado em operação em questão de dias, sem qualquer tempo de inatividade.

A AtmosZero pretende entregar algumas unidades a clientes ao longo do próximo um ou dois anos, com planos de implantar centenas de unidades por ano posteriormente. A empresa está atualmente focada em fábricas que utilizam menos de 10 megawatts de energia térmica em demanda máxima, o que representa a maioria das instalações industriais dos Estados Unidos.

Stark se orgulha de fazer parte de um grupo crescente de startups de descarbonização ligadas ao MIT, algumas das quais têm como alvo setores específicos, como a Boston Metal para o aço e a Sublime Systems para o cimento. Mas ele observa que, além dos materiais mais comuns, a indústria se torna muito fragmentada, tendo o uso de vapor como um dos poucos pontos em comum.

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“Se olharmos para os segmentos industriais, vemos a ubiquidade do vapor”, diz Stark. “É uma oportunidade extremamente madura para causar impacto em escala. O vapor não pode ser removido da indústria. Grande parte de cada processo industrial que projetamos nos últimos 160 anos foi construída em torno da disponibilidade de vapor. Portanto, precisamos nos concentrar em formas de fornecer vapor com baixas emissões, em vez de removê-lo da equação.”

Reproduzido com permissão do MIT News