Conversor GWEC com volante de inércia promete 50% da energia das ondas

Em vez de apostar em turbinas eólicas offshore gigantescas, um investigador propõe uma abordagem bem diferente: uma caixa flutuante com um volante de inércia a rodar no interior. No papel, esta arquitectura poderá converter até metade da energia de movimento das ondas em electricidade. O desafio agora é passar do modelo matemático para um protótipo real.

Como um dispositivo giroscópico flutuante transforma ondas em electricidade

No centro do trabalho está um chamado conversor de energia das ondas giroscópico, abreviadamente GWEC. Em termos simples, trata-se de um corpo flutuante que contém uma roda pesada a girar a alta velocidade. Esse volante de inércia liga-se à estrutura exterior através de um conjunto mecânico e de um gerador.

Quando uma onda atinge a plataforma, a unidade começa a oscilar. Em sistemas comuns, grande parte desta oscilação acaba por se perder sem ser aproveitada. Aqui entra o efeito físico da precessão: um giroscópio em rotação reage lateralmente a forças externas. Na prática, isso significa que o volante “resiste” ao movimento de inclinação da plataforma. E essa força de reacção pode ser desviada para um movimento rotativo que, por sua vez, um gerador converte em corrente eléctrica.

"A ideia: quanto mais as ondas excitam o sistema, mais o giroscópio se “defende” - e é precisamente essa reacção que alimenta a produção de electricidade."

Ideias deste tipo existem desde os anos 2000. Em Itália, por exemplo, surgiu o projecto ISWEC, no qual foram testadas unidades flutuantes com tecnologia giroscópica. Até agora, porém, estes caminhos ficaram pelo nível experimental, porque, na realidade dura do mar, acabavam por aproveitar pouca energia.

Porque é que as centrais de energia das ondas quase não são rentáveis

Há anos que a energia das ondas é vista como uma grande promessa: é relativamente constante, está disponível durante a noite e existe em abundância em muitas zonas costeiras. Ainda assim, quase não há instalações comerciais. Um dos motivos é simples: o mar é caótico.

As ondas variam continuamente em:

• Altura - de pequenas ondulações quase imperceptíveis a vagas de tempestade
• Direcção - consoante o vento, as correntes e a forma da costa
• Frequência - isto é, o ritmo temporal com que as ondas chegam
• Forma - ondulação longa e regular ou ondas íngremes e quebrantes

Muitos sistemas anteriores eram desenhados para um único “estado de mar favorito”. Quando as condições mudavam, a eficiência caía a pique - tal como acontece com um painel solar fixo que raramente fica no ângulo ideal em relação ao Sol.

É precisamente aqui que entra o investigador de Osaka. O objectivo foi perceber como configurar um sistema com giroscópio de modo a adaptar-se continuamente ao estado de mar do momento, em vez de funcionar bem apenas numa faixa estreita.

A promessa: até 50 por cento da energia das ondas pode ser aproveitada

O estudo assenta em modelos matemáticos e simulações computacionais. O ponto de partida é uma teoria de ondas simplificada, onde as ondas são tratadas como oscilações regulares e “limpas”. Embora isto seja pouco realista, permite calcular com grande precisão como o sistema flutuante reage a determinados parâmetros.

O elemento-chave do novo conceito é que duas grandezas devem ajustar-se permanentemente:

• a velocidade de rotação do volante de inércia;
• a carga aplicada pelo gerador, ou seja, até que ponto o gerador “trava” o movimento.

Consoante a altura e a frequência das ondas, a unidade altera estes parâmetros em tempo real. Assim, consegue afinar deliberadamente o funcionamento para maximizar a captação de energia - de forma semelhante a um velejador que está sempre a regular as velas.

"As simulações mostram que, desta forma, o conversor pode teoricamente absorver até 50 por cento da energia de movimento das ondas - um valor que encosta directamente a um limite físico."

Por detrás deste número está uma regra de base da física das ondas: nenhum conversor oscilante numa superfície de água plana consegue extrair mais de metade da energia incidente. Se “travar” demasiado, bloqueia a onda e elimina a própria condição que permite transferir energia. Um princípio comparável existe nas turbinas eólicas, conhecido como limite de Betz.

Onde o modelo encontra os seus limites

Estas eficiências elevadas valem, para já, apenas no mundo das simulações. Assim que foram incluídas ondas irregulares e assimétricas, o rendimento desceu, sobretudo com ondulação muito forte. A estratégia de controlo torna-se mais complexa quando o mar deixa de oscilar “como no manual” e passa a comportar-se de forma turbulenta.

Além disso, há um ponto crítico adicional: o próprio volante tem de ser mantido em rotação. O atrito em rolamentos e sistemas de accionamento consome energia - e, nas contas actuais, esse autoconsumo ainda não aparece.

No pior cenário, uma parte da electricidade produzida pode voltar a perder-se dentro do próprio sistema. Se o ganho líquido no fim for pequeno, a solução não se justifica economicamente. Só um protótipo real, com balanço energético completo, poderá confirmar se o conceito se sustenta.

Teste prático planeado no mar

O investigador pretende agora validar as ideias num tanque de ondas e, mais tarde, em mar aberto. Estão previstas unidades de teste à escala reduzida para medir até que ponto o desempenho real se aproxima das simulações. Um ponto particularmente interessante será perceber quão rápido e fiável é o controlo da rotação e do gerador quando as condições de onda mudam.

Em paralelo, a equipa considera um desenho alternativo: em vez de uma plataforma simétrica, com a mesma geometria de todos os lados, quer experimentar uma forma propositadamente assimétrica. Estruturas deste tipo podem interagir de outra maneira com a frente de onda e, na visão do investigador, talvez até ultrapassar o patamar dos 50 por cento.

"Dahinter steckt die These, dass bestimmte Formen Wellen günstiger brechen und umlenken können - ein Ansatz, der die bisherige physikalische Grenze nur unter speziellen Bedingungen verschieben würde."

Por enquanto, esta parte permanece claramente no domínio da especulação. Sem medições sólidas, continua a ser um exercício de cálculo com muitas hipóteses.

O que a electricidade das ondas pode significar para regiões costeiras

Apesar das incógnitas, o potencial é enorme. Em particular, ilhas e localidades costeiras isoladas dependem frequentemente de geradores a gasóleo dispendiosos, porque não compensa levar até lá uma rede eléctrica densa. Para esses locais, uma central de energia das ondas robusta e de baixa manutenção seria uma mudança decisiva.

Imagine-se uma cadeia de unidades flutuantes deste tipo, amarradas a alguns quilómetros da costa:

• fornecem electricidade também à noite e com céu nublado;
• quase não ocupam terreno em terra, ao contrário de grandes parques solares;
• podem crescer de forma modular, conforme a necessidade de consumo;
• idealmente, podem ser recolhidas ou rebocadas para zonas seguras como protecção contra tempestades.

Acresce a dimensão ecológica: se forem bem concebidas, estas plataformas exigem muito menos intervenção no fundo do mar do que as fundações maciças de parques eólicos. Ao mesmo tempo, têm de ser desenhadas para não interferirem com rotas de navegação e com a pesca.

O que está por trás de termos como “houlomotricité” e energia das ondas

No jargão técnico internacional aparece com frequência o termo energia das ondas (ou energia undimotriz); por vezes surge também “houlomotricité”. O significado é, no essencial, o mesmo: usar a energia de movimento à superfície da água como fonte primária. Essa energia nasce sobretudo do vento, que actua sobre grandes superfícies de água durante longas distâncias e as coloca em oscilação.

A energia das ondas é bastante diferente da energia das marés. Nas marés, o foco é a subida e descida regulares do nível do mar provocadas pela atracção da Lua e do Sol. É um fenómeno mais lento, mas extremamente previsível. As ondas, pelo contrário, respondem de forma directa ao estado do tempo, intensificando-se com tempestades ou enfraquecendo com períodos de calmaria.

Do ponto de vista técnico, ambas as fontes podem ser combinadas. Em regiões com grande amplitude de maré e mar agitado, poderão existir no futuro instalações que, durante a preia-mar, gerem electricidade a partir do desnível e, ao mesmo tempo, a partir do movimento das ondas. Assim, seria possível amortecer melhor picos de carga e reduzir oscilações na rede.

Riscos, desafios e próximos passos

Antes de estes sistemas chegarem a grande escala, há obstáculos importantes. A questão central é: como se comportam mecanismos, rolamentos e vedações após anos em água salgada, com tempestades, incrustações de mexilhões e algas?

Somam-se exigências de segurança: uma instalação à deriva, caso uma amarra se rompa, não pode transformar-se num perigo para navios. Por isso, desligamentos de emergência, sistemas de localização e soluções de ancoragem robustas fazem parte do desenvolvimento tanto quanto a optimização da eficiência.

Em paralelo surge o problema da ligação à rede: como levar a electricidade até terra? Uma opção são cabos submarinos para uma estação de recolha; outra são plataformas flutuantes de subestação, como as usadas em parques eólicos offshore. Também faz sentido pensar em instalações híbridas que combinem vento e ondas - duas tecnologias que poderiam partilhar fundações e infra-estruturas.

Se este conversor giroscópico acabar, de facto, a oscilar de forma permanente ao largo de costas marítimas, ainda está por ver. O estudo, no entanto, sugere que a energia das ondas está longe de estar esgotada e que uma regulação inteligente pode extrair do vai-e-vem do mar muito mais do que muitos assumiram até hoje.