Coordenadora do programa
Ana Flavia Nogueira – UNICAMP – Instituto de Química – anafla@unicamp.br
Vice-coordenador
Mateus Giesbrecht – UNICAMP
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O programa de pesquisa em Geração de Energia engloba diversos projetos multidisciplinares de desenvolvimento e inovação nas áreas de energia solar e eólica.
No âmbito da energia solar, o programa prioriza as células solares de perovskita, procurando aprimorar sua eficiência e durabilidade para atender à crescente demanda do mercado fotovoltaico nacional. No que diz respeito aos projetos de energia eólica, o foco está na geração offshore, com o objetivo de aperfeiçoar a confiabilidade e eficiência das unidades geradoras eólicas.
Para avançar na tecnologia de células solares de perovskita, o programa abordará desde estudos fundamentais dessa nova classe de semicondutores até desafios como a ampliação da escala da tecnologia para substratos maiores e a garantia de estabilidade em condições ambientais.
Já o aperfeiçoamento da confiabilidade e eficiência de unidades geradoras eólicas será alcançado por meio de avançadas técnicas de controle de conversores e desenvolvimento de métodos automáticos de diagnóstico de falhas, envolvendo técnicas de inteligência artificial. Também serão desenvolvidos modelos de simulação robustos que permitirão a otimização de componentes críticos para operações em plataformas flutuantes, o que resultará na redução de custos e no aumento da eficiência energética de unidades geradoras eólicas no ambiente offshore.
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Projetos
Líder do projeto:
Ana Flávia Nogueira (UNICAMP)
Objetivo:
- Estudar propriedades optoeletrônicas de perovskitas por meio de técnicas avançadas de caracterização buscando melhor desempenho e maior durabilidade;
- Preparar moléculas e materiais novos e mais estáveis visando escalar a produção de dispositivos fotovoltaicos de perovskita capazes de resistir a condições climáticas adversas.
Benefícios:
- Maior eficiência que células solares de silício policristalino;
- Melhor captação de luz em uma faixa mais ampla em comparação ao silício, o que permite dispositivos com áreas menores e ainda com alta eficiência;
- As células solares de perovskita podem ser montadas por processos de produção mais baratos em substratos flexíveis e até texturizados;
- Exploração do Sirius, o acelerador de partículas brasileiro, para compreender profundamente as propriedades fundamentais das perovskitas e aumentar a eficiência e durabilidade.
Líder do projeto:
Jilian Nei de Freitas (CTI Renato Archer)
Objetivo:
- Aplicação de materiais novos e mais estáveis e processos escaláveis para aumentar a escala de células solares de perovskita, de dispositivos de laboratório (~0,1 cm2) a células individuais e minimódulos de grande área (25 cm2), buscando dispositivos mais estáveis através do gerenciamento de luz.
Benefícios:
- Células solares de perovskita mais estáveis;
- Aumento do valor agregado de materiais desenvolvidos localmente;
- Demonstração de uma nova tecnologia;
- Transferência de tecnologia para a indústria nacional;
- Contribuir para a formação de profissionais especializados.
Líder do projeto:
Mateus Giesbrecht – UNICAMP
Objetivo:
- Desenvolvimento de algoritmos de detecção e diagnóstico de falhas para unidades de geração de energia eólica e sistemas de controle para conversores de potência.
Benefícios:
- Detecção de falhas incipientes e monitoramento de condições para unidades de geração de energia eólica;
- Desenvolvimento de técnicas de controle para conversores de potência em unidades geradoras de energia eólica aumentando a qualidade da energia elétrica.
Líder do projeto:
Gregory Bregion Daniel (UNICAMP)
Objetivo:
- Melhorar a confiabilidade e a eficiência das turbinas eólicas, com ênfase nas turbinas eólicas verticais offshore.
Benefícios:
- Aplicação de modelos representativos para garantir melhor diagnóstico de falhas, prognóstico e previsão de vida útil, impactando diretamente na confiabilidade, disponibilidade e produtividade dos equipamentos;
- Melhores previsões relacionadas ao desempenho real do aerogerador, visando assim mitigar condições críticas de operação;
- Propor melhorias e otimização de componentes mecânicos, visando aumentar a eficiência e confiabilidade de turbinas flutuantes verticais;
- Conceitos simplificados de base flutuante para reduzir custos de instalação.
Coordenador do programa
Hudson Giovani Zanin – UNICAMP – Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação – hzanin@unicamp.br
Vice-coordenador
Gustavo Doubek – UNICAMP – Faculdade de Engenharia Química
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O objetivo do programa de Armazenamento Avançado de Energia é desenvolver tecnologias-chave para o manejo energético estratégico, isto é, para armazenar energia quando houver excesso na produção e fornecer energia quando houver demanda.
Esse manejo é especialmente relevante no contexto de energias renováveis como a solar e a eólica, cujas fontes (o Sol e o vento) são intermitentes, e melhora significativamente os processos de mobilidade e consumo de energia que estão presentes nas atividades cotidianas das pessoas, facilitando, ao mesmo tempo, a transição para uma matriz energética mais sustentável.
Para ser efetivo nessa missão, o programa treina pessoas para o desenvolvimento de baterias, supercapacitores, reformadores e células a combustível.
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Projetos
Objetivo:
- Desenvolver baterias de conversão promissoras como Li-S, Li-O2 e SLFB, juntamente com seus materiais funcionais. Inclui a identificação de viabilidades técnicas e económicas e o mapeamento das cadeias de abastecimento locais. Também planejamos realizar caracterização avançada de células e materiais em condições operacionais.
Benefícios:
- Após cinco anos de pesquisa, o objetivo é determinar mecanismos operacionais e modos de falha, bem como melhorar as capacidades de armazenamento e entrega de energia. Também pretendemos entender o mercado de baterias.
Objetivo:
- O projeto visa desenvolver baterias e supercapacitores com energia e densidades de potência superlativas, ampliando sua ciclabilidade. Este projeto visa combinar o melhor de ambos os dispositivos em um dispositivo híbrido. Planejamos melhorar nossas instalações de fabricação para desenvolver células locais melhores. Então é essencial identificar quais materiais podem ter maior viabilidade técnica e econômica, bem como mapear, auxiliar e desenvolver uma cadeia de fornecedores local.
Benefícios:
- Após cinco anos de pesquisa, o objetivo é melhorar a fabricação de células. Pretendemos compreender os mecanismos operacionais e modos de falha com caracterizações avançadas de tipo “operando”.
Objetivo:
- Desenvolver SOFCs suportados em metal e reformadores de bioetanol com todos os materiais constituintes necessários, como barreiras de difusão contra a migração de Cr do suporte metálico, otimização da microestrutura para melhorar a densidade de corrente, otimização dos métodos de construção para os eletrodos ativos, catalisadores e eletrólitos, tendo sempre em mente a escalabilidade dos processos e a disponibilidade de materiais considerando a cadeia de fornecedores nacional.
Benefícios:
- Após 5 anos de pesquisa, o objetivo é desenvolver protótipos de reformadores de etanol, células e pilhas SOFC que possam converter biocombustíveis em eletricidade, além de estudar seus mecanismos de funcionamento e modos de falha.
Coordenador do programa
Ernesto Chaves Pereira de Souza – UFSCar – ernesto@ufscar.br
Vice-coordenadora
Lúcia Helena Mascaro Sales – UFSCar
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O hidrogênio é uma molécula que apresenta muitas vantagens quando é utilizado como combustível. Além de não gerar emissões de carbono durante o uso, o hidrogênio vem de fontes renováveis e abundantes como água e biomassa, e tem a capacidade de armazenar altíssimas quantidades de energia. Além de ser um ótimo combustível, o hidrogênio também pode ser usado como insumo para outros produtos, por exemplo, fertilizantes, tendo impacto em muitos setores da economia.
Contudo, para que o hidrogênio possa ser considerado verde, a energia elétrica usada na sua produção deve ser verde. E o Brasil é um dos países melhor posicionados do mundo com relação a isso, com 82 % da sua energia elétrica vindo de fontes de baixo carbono e renováveis.
O objetivo do programa de Hidrogênio Verde é estudar aspectos fundamentais e tecnológicos da produção de hidrogênio verde por eletrólise. Esse processo químico ocorre graças ao fornecimento de energia elétrica, a qual gera uma reação de oxirredução capaz de produzir moléculas como a de hidrogênio.
Neste sentido, diferentes tipos de eletrolisadores serão estudados, sem esquecer questões relacionadas a seu aumento de tamanho para atender a escala industrial: células alcalinas, células de membranas de transporte de prótons e células de membranas de transporte de ânions (tecnologia que está ainda no início do seu desenvolvimento no mundo todo). O programa vai investigar desde aspectos fundamentais da reação que gera o hidrogênio e da formação de bolhas nesse processo, até o uso de catalisadores nanoestruturados para tornar a reação mais eficiente.
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Projetos
Líder do projeto: Ernesto Chaves Pereira de Souza (UFSCar)
Objetivo:
- Controlar a morfologia, microestrutura e níveis de defeitos eletrônicos em nanomateriais que serão utilizados como eletrodos em eletrolisadores de membranas trocadoras de prótons, principalmente à base de compostos de irídio. O mecanismo de reação também será investigado.
Benefícios:
- A atividade eletrocatalítica do nanomaterial e a estabilidade a longo prazo dependem da estrutura, forma, morfologia do material etc. Então, podemos empregar diferentes ferramentas químicas e rotas de síntese como estratégias para melhorar a atividade e estabilidade dos eletrodos do eletrolisador para decomposição da água.
Líder do projeto: Lúcia Helena Mascaro Sales (UFSCar)
Objetivo:
- Melhorar a eficiência da produção de hidrogénio verde por eletrólise ou fotoeletrólise;
- Buscar a viabilidade econômica do processo através da síntese de materiais de eletrodos inovadores;
- Substituição da reação de oxidação da água pela oxidação de moléculas orgânicas.
Benefícios:
- A exploração de novos catalisadores e membranas representa avanços tecnológicos;
- Reduzir o impacto ambiental associado à produção de hidrogênio evitando a tradicional reação de oxidação da água em favor da oxidação de moléculas orgânicas;
- O setor do hidrogénio verde pode levar à criação de emprego em vários domínios;
- O projeto está alinhado com os esforços globais para a transição para fontes de energia mais limpas;
- Promover métodos de produção de hidrogênio mais eficientes e econômicos.
Coordenador do programa
Juarez L. F. Da Silva – USP – Instituto de Química de São Carlos – juarez_dasilva@iqsc.usp.br
Vice-coordenador
Marcos Gonçalves Quiles – UNIFESP
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Por meio de ferramentas computacionais avançadas, o programa de Design Computacional de Materiais contribui para o desenvolvimento de tecnologias de geração e armazenamento de energia eficientes, sustentáveis e de baixo custo. Os pesquisadores do programa trabalham em estreita colaboração com os grupos experimentais do CINE para alcançar esse objetivo.
Neste contexto, simulações computacionais e métodos baseados em inteligência artificial permitem prever propriedades de materiais em diversas situações, acelerando significativamente o processo de descoberta e avaliação de materiais para uso nessas tecnologias.
Além disso, técnicas de processamento de linguagem natural ajudam a analisar grandes quantidades de documentos científicos e, dessa forma, identificar tendências e oportunidades de pesquisa.
São focos do programa a busca de perovskitas e materiais bidimensionais para uso em células solares, catalisadores para a produção sustentável de hidrogênio e amônia, e materiais para baterias e supercapacitores. Além disso, usamos inteligência artificial para monitorar o estado de turbinas eólicas e baterias, ajudando a detectar falhas antes que elas causem problemas maiores.
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Projetos
Objetivo:
- Este projeto se concentra na análise atomística baseada em química quântica de materiais para conversão de energia em aplicações fotovoltaicas por meio de duas frentes: avanços em materiais baseados em perovskitas e potencial de semicondutores bidimensionais em energia fotovoltaica.
Benefícios:
- A busca por materiais que aproveitem a luz solar para conversar em energia elétrica se intensifica em função da necessidade global de redução dos gases de efeito estufa. As perovskitas tridimensionais mostram-se promissoras em células solares, mas enfrentam desafios como degradação UV e toxicidade por chumbo. Apesar dos obstáculos, a relação custo-benefício e os métodos de síntese simplificados tornam as perovskitas atraentes para energia limpa, estimulando a exploração de estratégias para superar as limitações.
Objetivo:
- Esta iniciativa gira em torno da investigação atomística de materiais catalisadores para a produção de hidrogênio verde usando simulações de química quântica atomística. Nosso foco abrange materiais catalisadores para separação de água através de eletrolisadores e materiais catalisadores para amônia verde.
Benefícios:
- O hidrogênio verde oferece uma solução de energia limpa, contribuindo para a redução das emissões globais de carbono. Sua produção por meio de eletrolisadores alimentados por fontes renováveis está alinhada aos objetivos de sustentabilidade. A adoção do hidrogênio verde apresenta uma oportunidade para transformar o cenário energético no Brasil, minimizando o impacto ambiental.
Objetivo:
- Simulações atomísticas de materiais para otimizar dispositivos de armazenamento de energia: seleção de possíveis eletrólitos; estudo das interfaces eletrólito-eletrodo; modelagem de supercapacitores; modelagem de de baterias.
Benefícios:
- O armazenamento de energia através de baterias e supercapacitores é crucial para aproveitar fontes intermitentes como a eólica e a fotovoltaica. Estes sistemas armazenam o excesso de energia durante o pico de produção e a liberam durante períodos de baixa ou nenhuma produção, garantindo um fornecimento de energia consistente e confiável. Ao mitigar as flutuações, o armazenamento de energia aumenta a estabilidade e a eficiência das redes de energia renovável, facilitando uma transição mais suave para fontes de energia sustentáveis e fiáveis.
Objetivo:
- O principal objetivo deste projeto é uma visão abrangente de células de armazenamento de energia, como baterias iônicas e supercapacitores, em condições de operação, por meio de simulações computacionais. As abordagens teóricas para cumprir nossos objetivos devem vir de uma combinação de vários métodos baseados em técnicas de campo de fase e multiescala para simular baterias e supercapacitores.
Benefícios:
- O aumento da demanda por energia limpa está motivando a utilização de fontes intermitentes para produção de energia, como a solar e a eólica. Por isso, o desenvolvimento de baterias e sistemas de armazenamento de energia é crucial para modular o fornecimento de energia, de modo a atender satisfazer a sua procura durante períodos de produção escassa. Portanto, uma compreensão completa do comportamento do material em escala de engenharia é um passo importante no desenvolvimento de dispositivos reais.
Líder do projeto: Marcos Quiles (UNIFESP)
Objetivo:
- Este projeto abordará o poder da Inteligência Artificial no apoio ao design de materiais. Nosso objetivo é desenvolver e aplicar métodos de aprendizado de máquina em vários aspectos, como prever propriedades de diferentes classes de materiais, explorar o espaço químico para projetar materiais e aprender superfícies de energia potencial para dinâmica molecular precisa.
Benefícios:
- Este projeto irá acelerar a descoberta e avaliação de novos materiais essenciais para vários problemas, como a conversão e o armazenamento de energia, promovendo assim a inovação em soluções energéticas sustentáveis. Contribuirá também para a eficiência dos processos de investigação em ciência dos materiais através da integração de técnicas avançadas de IA.
Líder do projeto: Marcos Quiles (UNIFESP)
Objetivo:
- Em primeiro lugar, pretendemos aplicar e estender técnicas de processamento de linguagem natural de última geração a trabalhos acadêmicos em Ciência de Materiais e Química Quântica. Isto vai nos permitir extrair informações relevantes de grandes coleções de documentos, identificando tendências e lacunas de investigação.
- Em segundo lugar, utilizaremos técnicas de análise de dados e aprendizagem automática para diagnósticos inteligentes e monitoramento. Isto inclui a detecção de falhas incipientes em turbinas eólicas e o monitoramento do estado de carga em baterias e capacitores.
Benefícios:
- A abordagem inovadora do projeto na aplicação de IA e aprendizagem automática irá melhorar significativamente a nossa capacidade de processar e utilizar grandes volumes de dados. Ao extrair insights da literatura acadêmica e monitorar a integridade dos dispositivos, podemos tomar decisões informadas, identificar possíveis problemas antes que eles ocorram e otimizar o desempenho dos dispositivos. Isto será particularmente benéfico em domínios como as energias renováveis, onde a confiabilidade e a eficiência dos equipamentos são cruciais.
