Investigador quer gerar energia limpa do mar com giroscópio de ondas engenhoso.

Um investigador japonês quer mudar isto de forma radical.

Um sistema de giroscópio repensado promete transformar, com grande eficiência, a energia do movimento das ondas em electricidade. A proposta nasce no Japão, existe por enquanto sobretudo em simulações exigentes - e aponta, em teoria, para a conversão de metade da energia das ondas em potência eléctrica. Parece ficção científica, mas pode vir a tornar-se uma peça relevante na futura matriz energética.

Como um Gyroscopic Wave Energy Converter (GWEC) flutuante gera electricidade a partir das ondas

No centro do estudo está um Gyroscopic Wave Energy Converter, ou GWEC - em português, um conversor giroscópico de energia das ondas. O equipamento flutua à superfície e integra, no interior, um volante de inércia a alta rotação, ligado por um eixo a um gerador.

Quando as ondas elevam e baixam a estrutura e a fazem rolar, entra em acção um fenómeno físico determinante: a precessão. Um corpo em rotação responde de forma transversal à força aplicada. Na prática, o giroscópio “resiste” ao embalo e, nesse processo, cria um binário que pode ser convertido em energia eléctrica.

"À luz dos cálculos do modelo, um sistema controlado de forma óptima pode converter até 50 por cento da energia de movimento das ondas em electricidade."

A ideia não surge do nada. Nos anos 2000, equipas em Itália seguiram uma linha semelhante com o projecto ISWEC. Demonstraram que um volante de inércia instalado numa plataforma flutuante consegue, de facto, produzir quantidades aproveitáveis de energia. Ainda assim, os dispositivos dessa fase não chegaram a maturidade económica.

O problema dos sistemas antigos: o mar nunca se comporta “como no manual”

O maior adversário das primeiras centrais de energia das ondas acabou por ser o próprio mar - aquilo que deveria ser a sua fonte mais confiável. As ondas mudam continuamente em altura, direcção, frequência e forma. E os conceitos clássicos de GWEC tendiam a ser optimizados apenas para um tipo específico de onda.

Daí resultava um efeito simples, mas devastador: quando as ondas reais não coincidiam com o “padrão preferido” do equipamento, a produção caía a pique. É um pouco como um painel solar fixo, alinhado na perfeição apenas ao meio-dia, mas que capta muito menos de manhã e ao fim da tarde.

É aqui que entra o investigador de Osaka. Ele descreveu matematicamente o comportamento de um GWEC recorrendo à teoria linear das ondas. Esta abordagem reduz a complexidade do oceano a oscilações regulares e calculáveis. A partir daí, conseguiu determinar como o giroscópio deveria reagir a diferentes regimes de onda para absorver o máximo de energia.

O truque no GWEC: controlo em tempo real de dois parâmetros decisivos

As simulações indicam que, para se manter eficiente, um GWEC precisa de ser ajustado continuamente durante a operação. O investigador identifica duas “alavancas” que devem variar de forma dinâmica:

• Velocidade de rotação do volante de inércia: define quão forte é a resposta do giroscópio ao balanço.
• Carga do gerador: permite estabelecer quanto binário de travagem existe e, por consequência, quanta energia é extraída.

Quando estas duas variáveis são adaptadas em tempo real ao estado do mar, o modelo sugere que o rendimento se mantém, mesmo com condições variáveis, muito próximo do limite teórico de 50 por cento. Nos equipamentos anteriores, o comportamento era muito mais rígido, desperdiçando uma parte significativa da energia disponível.

"A ideia: o sistema ajusta-se de forma permanente, como um painel solar com seguimento automático, à ‘posição’ actual do mar."

O tecto invisível: porque é que, nos 50 por cento, quase se chega ao limite

A fasquia dos 50 por cento não é escolhida ao acaso. Ela corresponde a uma limitação fundamental da física das ondas. Um sistema que oscila à superfície não consegue “retirar” toda a energia de uma onda que passa sem alterar essa onda de forma drástica.

O princípio faz lembrar o limite de Betz na energia eólica. A regra prática aí é conhecida: uma turbina pode converter, no máximo, cerca de 59 por cento da energia cinética do vento em potência mecânica. Se tentasse extrair mais, o escoamento de ar a jusante do rotor quase pararia - e o sistema deixaria de funcionar de maneira útil.

No caso dos conversores de energia das ondas, o limite é um pouco mais baixo. Do ponto de vista científico, já é um avanço considerável quando um conceito se aproxima dessa referência para diferentes tipos de onda.

As fragilidades da teoria: mar agitado e perdas que não aparecem nos gráficos

Parte dos cálculos assenta em ondas “limpas”, com formas que raramente se encontram assim na natureza. No mundo real, a superfície é frequentemente caótica: vagas geradas pelo vento sobrepõem-se, reflexões vindas da costa ou de estruturas misturam-se, e as tempestades criam ondas íngremes e rebentantes.

Em simulações com ondas irregulares e assimétricas, a eficiência desce de forma visível, sobretudo com mar grosso. O sistema ainda consegue adaptar-se, mas atinge limites mais depressa. Soma-se um segundo aspecto que o investigador optou por não incluir nesta primeira análise: o consumo próprio do sistema.

Um giroscópio não se mantém em rotação por si só. Para conservar o volante de inércia a alta velocidade, é necessária energia - por exemplo, para compensar perdas por atrito em rolamentos ou engrenagens. Se este “auto-consumo” crescer demasiado, a parcela de electricidade útil para a rede ou para os utilizadores reduz-se significativamente. No pior cenário, o funcionamento do equipamento pode absorver quase tudo o que ele próprio gera.

"A verdadeira arte será manter tão baixo o consumo eléctrico necessário para operar o giroscópio que o rendimento líquido continue a ser atractivo."

Do modelo matemático ao protótipo na água

Apesar das incertezas, o investigador já aponta o passo seguinte. Pretende validar o modelo com dados reais medidos primeiro em tanques de ensaio e, mais tarde, em mar aberto. Séries de testes com protótipos à escala reduzida deverão indicar se as eficiências calculadas se conseguem atingir, mesmo que apenas de forma aproximada, em condições reais.

Há ainda uma linha adicional que ele quer explorar: em vez de carcaças simétricas, pondera estruturas deliberadamente assimétricas. Estas poderiam interagir de forma diferente com a direcção das ondas e, assim, retirar mais energia quando a ondulação vem de certos ângulos. Daqui nasce até uma esperança vaga de ultrapassar, em parte, a marca dos 50 por cento, uma vez que o limite teórico se baseia em pressupostos idealizados e, na maioria, simétricos. Para já, fica no domínio da especulação - sem hardware na água, não há respostas robustas.

Como a energia das ondas pode encaixar no futuro sistema energético

Parques eólicos offshore e centrais solares flutuantes já deixaram de ser teoria. Um conversor de energia das ondas com maturidade tecnológica poderia funcionar como complemento a essas soluções. Muitas vezes, as ondas continuam activas quando o vento já abrandou, e no oceano aberto tendem a ser relativamente estáveis. Isto torna-as uma opção interessante no cabaz energético, sobretudo para países insulares ou zonas costeiras com pouca área disponível em terra.

Alguns benefícios possíveis de centrais deste tipo:

• Elevada densidade energética: por metro quadrado de superfície do mar, existe bastante mais energia aproveitável do que em muitos projectos eólicos ou solares.
• Baixo impacto visual: unidades compactas e flutuantes podem ficar longe da costa e ser quase invisíveis a partir de terra.
• Potencial de combinação: módulos de ondas podem integrar-se em infra-estruturas offshore já existentes, por exemplo em plataformas ou fundações de parques eólicos.

Ainda assim, os riscos e os desafios são relevantes: tempestades extremas, corrosão por água salgada, colisões com navios ou fauna marinha, e custos de manutenção longe da costa. Um sistema verdadeiramente maduro terá de responder a cada uma destas questões com robustez antes de poder ligar-se à rede em escala.

O que significam teoria linear das ondas e precessão

Quem se aproxima da energia das ondas tropeça rapidamente em termos técnicos. Dois são particularmente centrais neste conceito:

Conceito	Explicação simples
Teoria linear das ondas	Modelo matemático que descreve as ondas como oscilações regulares e pequenas. É excelente para fazer contas, mas simplifica bastante a realidade caótica.
Precessão	Comportamento de um corpo em rotação que, ao receber uma força externa, responde “rodando” para o lado. É precisamente este efeito que o giroscópio aproveita para extrair energia das ondas.

Quem já segurou um pneu de bicicleta a rodar pelo eixo e tentou incliná-lo lateralmente conhece a precessão na prática: a roda parece “puxar” noutra direcção. No GWEC acontece essencialmente o mesmo, mas de forma controlada e acoplada a um gerador.

Se esta abordagem conseguirá, no futuro, fornecer electricidade a regiões costeiras inteiras depende agora dos próximos anos de investigação. Se a transição do modelo de cálculo para um protótipo robusto no mar for bem-sucedida, um giroscópio teórico à superfície pode transformar-se em mais um elemento para uma energia com menor impacto climático.