Como um conversor giroscópico de energia das ondas transforma o mar em eletricidade

Em vez de apostar em turbinas eólicas ao largo gigantescas, este conceito recorre a uma caixa flutuante com um volante de inércia em rotação no interior. A estrutura pretende converter até metade da energia de movimento das ondas em energia elétrica - pelo menos, no papel. Agora, passou da fase do modelo de cálculo para a de um protótipo real.

Como uma plataforma flutuante com giroscópio converte ondas em corrente

No centro do estudo está o chamado conversor giroscópico de energia das ondas, ou GWEC. Na prática, trata-se de um corpo flutuante no interior do qual roda, a alta velocidade, uma roda pesada. Esse volante de inércia está ligado ao invólucro por um mecanismo e por um gerador.

Quando uma onda atinge a plataforma, esta começa a oscilar. Em condições normais, grande parte desse movimento seria desperdiçada. Aqui entra em ação o efeito físico da precessão: um giroscópio em rotação reage lateralmente a forças externas. Isso significa que opõe resistência ao movimento de inclinação. Essa contra-força pode, por sua vez, ser convertida num movimento de rotação que um gerador transforma em eletricidade.

A ideia é simples: quanto mais as ondas estimulam o sistema, mais o giroscópio «resiste» - e é precisamente essa reação que alimenta a produção de eletricidade.

Este tipo de solução existe desde a década de 2000. Em Itália, por exemplo, surgiu o projeto ISWEC, no qual foram testadas unidades flutuantes com tecnologia giroscópica. Até agora, porém, estas abordagens ficaram presas à fase experimental, porque, na realidade áspera do mar, acabavam por aproveitar pouca energia.

Porque é que as instalações de energia das ondas continuam pouco rentáveis

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

As ondas mudam constantemente em:

• Altura – desde ondulações quase impercetíveis até vagas de tempestade
• Direção – consoante o vento, as correntes e a forma da costa
• Frequência – isto é, a cadência temporal das ondas
• Forma – mar de fundo alongado ou ondas íngremes e a rebentar

Muitos sistemas anteriores foram desenhados para um determinado “tipo de onda favorito”. Sempre que as condições mudavam, o rendimento caía - de forma parecida a um painel solar fixo que nunca fica no ângulo ideal em relação ao sol.

Foi precisamente aqui que o investigador de Osaka entrou em cena. Quis perceber de que modo um sistema giroscópico pode ser concebido para se adaptar continuamente ao estado real do mar, em vez de funcionar bem apenas numa faixa estreita de condições.

A promessa do conversor giroscópico: até 50 por cento da energia das ondas aproveitável

O estudo assenta em modelos matemáticos e simulações computacionais. O ponto de partida é uma teoria simplificada das ondas, na qual as ondas são tratadas como oscilações regulares e limpas. Embora isso pareça pouco realista, permite cálculos muito precisos sobre o comportamento do sistema flutuante perante determinados parâmetros.

O aspeto decisivo desta nova abordagem é que duas grandezas devem ser ajustadas de forma permanente.

• A velocidade de rotação do volante de inércia
• A carga imposta pelo gerador, ou seja, o grau de travagem

Consoante a altura e a frequência das ondas, a instalação altera estes parâmetros em tempo real. Assim, pode ser afinada de propósito para captar a máxima energia possível - tal como um velejador que vai ajustando as velas sem parar.

As simulações mostram que, desta forma, o conversor pode, em teoria, captar até 50 por cento da energia de movimento das ondas - um valor que encosta diretamente a um limite físico superior.

Por detrás deste número está uma regra fundamental da física das ondas: nenhum conversor oscilante numa superfície de água plana consegue extrair mais de metade da energia incidente das ondas. Se a travagem for demasiado forte, a onda fica bloqueada e a própria base da transferência de energia é destruída. Um princípio semelhante aplica-se às turbinas eólicas, onde é conhecido como limite de Betz.

Onde o modelo encontra os seus limites

Os elevados rendimentos valem, primeiro, apenas no modelo de cálculo. Assim que foram introduzidas ondas irregulares e assimétricas, o aproveitamento diminuiu, sobretudo em mar de fundo muito vigoroso. O controlo ideal do sistema torna-se mais complexo quando o mar deixa de oscilar como nos manuais e passa a agitar-se de forma caótica.

Há ainda outro ponto crítico: o volante de inércia tem de ser mantido em movimento. O atrito nos rolamentos e nos acionamentos consome energia. Nos cálculos atuais, esse consumo próprio ainda não está incluído.

No pior dos casos, parte da eletricidade produzida poderá voltar a ser perdida dentro do próprio sistema. Se, no fim, sobrar apenas um ganho líquido reduzido, o conceito não será economicamente viável. Só um protótipo real, com uma avaliação energética completa, mostrará se a solução se sustenta.

Teste prático planeado no mar

O investigador quer agora testar as suas ideias num tanque de ondas e, mais tarde, em mar aberto. Estão previstas instalações experimentais em escala reduzida, com as quais será possível medir quão perto o desempenho real fica das simulações. O que mais interesse desperta é saber com que rapidez e fiabilidade a regulação da velocidade de rotação e do gerador funciona quando as condições das ondas mudam.

Em paralelo, a equipa está a considerar um desenho alternativo: em vez de uma plataforma simétrica, com aparência igual de todos os lados, pretende experimentar uma forma deliberadamente assimétrica. Essas estruturas poderão interagir de outro modo com a frente da onda e, na opinião do investigador, talvez até ultrapassem a barreira dos 50 por cento.

A ideia por detrás disto é que certas formas conseguem quebrar e desviar as ondas de modo mais favorável - uma abordagem que só poderia deslocar o limite físico existente em condições muito específicas.

Por agora, esta parte continua claramente no domínio da especulação. Sem dados de medição sólidos, tudo não passa de exercícios de cálculo com muitas suposições.

O que a energia das ondas pode significar para as regiões costeiras

Apesar de todas as perguntas em aberto, o tema tem um potencial enorme. Ilhas e localidades costeiras remotas dependem muitas vezes de geradores a gasóleo dispendiosos, porque não compensa ligar essas zonas a uma rede elétrica densa. Para elas, uma instalação de energia das ondas robusta e com pouca manutenção seria uma mudança decisiva.

Imaginemos uma cadeia destas unidades flutuantes, amarradas a alguns quilómetros da costa:

• Forneceriam eletricidade também durante a noite e com o céu encoberto.
• Ocupam muito pouco espaço em terra, ao contrário dos parques solares.
• Podem ser ampliadas de forma modular, consoante a necessidade de energia.
• Em condições ideais, podem ser recolhidas ou rebocadas para zonas seguras antes das tempestades.

Acresce ainda o lado ecológico: quando bem concebidas, estas plataformas provocam muito menos intervenção no fundo do mar do que as grandes fundações dos parques eólicos. Ao mesmo tempo, têm de ser desenhadas de modo a não interferirem com rotas de navegação nem com a pesca.

O que está por detrás da energia das ondas e da energia das marés

No jargão técnico internacional, fala-se frequentemente em energia das ondas ou em força das ondas. O princípio é sempre o mesmo: a energia de movimento da superfície da água serve como fonte primária de energia. Ela é gerada sobretudo pelo vento, que percorre grandes extensões de água durante longas distâncias e põe o mar em oscilação.

A energia das ondas distingue-se claramente da energia das marés. Nas marés, o que está em causa é a subida e descida regular do nível do mar devido à atração da Lua e do Sol. Esse movimento é mais lento, mas extremamente fiável. Já as ondas respondem de forma muito direta ao estado do tempo, sendo intensificadas por tempestades ou atenuadas por períodos de calmaria.

Do ponto de vista técnico, as duas fontes podem ser combinadas. Em regiões com forte amplitude de maré e mar agitado, poderão existir no futuro instalações que, na maré cheia, retirem energia da diferença de altura e, ao mesmo tempo, da própria agitação das ondas. Isso permitiria suavizar picos de carga e reduzir as flutuações da rede.

Riscos, desafios e próximos passos

Antes de estes sistemas chegarem em grande escala, ainda há vários obstáculos a ultrapassar. A questão mais importante é esta: como se comportam a mecânica, os rolamentos e as vedações depois de anos em água salgada, em tempestade e com incrustações de mexilhões e algas?

Acrescem os requisitos de segurança: uma instalação à deriva não pode representar perigo para os navios caso as amarras se partam. Desligamentos de emergência, sistemas de localização e conceitos de ancoragem robustos fazem, por isso, parte do desenvolvimento tal como a melhoria do rendimento.

Em paralelo, surge a questão da ligação à rede: como é que a eletricidade chega a terra? São possíveis cabos submarinos até uma estação de recolha ou plataformas flutuantes de transformação, como as que se conhecem dos parques eólicos ao largo. Também faz sentido pensar em instalações híbridas, que usem em conjunto a energia do vento e das ondas - as duas tecnologias poderiam partilhar fundações e infraestruturas.

Se, no fim, o conversor giroscópico agora apresentado acabará de facto a oscilar em serviço contínuo junto à costa, ainda não se sabe. O estudo mostra, porém, que a energia das ondas está longe de estar esgotada e que, com uma eletrónica de controlo inteligente, é possível retirar muito mais do sobe-e-desce do mar do que muita gente até agora imaginava.