GWEC: conversor giroscópico de energia das ondas da Universidade de Osaka e o limite dos 50 por cento

No mar alto, as ondas sucedem-se sem descanso, de dia e de noite. Na maior parte do tempo, essa energia fica por aproveitar. Um investigador da Universidade de Osaka afinou agora um conceito pensado para capturar precisamente esse movimento: um módulo flutuante com um giroscópio a girar muito depressa no interior, capaz de transformar a agitação do oceano em electricidade mais constante. A ideia não é inédita, mas os números agora avançados são tão ambiciosos que podem voltar a acender o interesse pela investigação em centrais de energia das ondas.

Como deverá funcionar um GWEC flutuante com giroscópio

No centro do trabalho está o chamado “Gyroscopic Wave Energy Converter”, ou GWEC - em português, um conversor giroscópico de energia das ondas. O dispositivo é composto por um corpo flutuante que alberga um volante de inércia pesado a rodar a alta velocidade, acoplado a um gerador.

Quando as ondas fazem o casco subir e descer ou o obrigam a rolar, entra em cena um efeito físico bem conhecido: a precessão. Um giroscópio em rotação resiste a alterações da sua orientação e responde numa direcção perpendicular à força aplicada. Essa reacção pode ser recolhida por meios mecânicos e transmitida ao gerador, produzindo assim corrente eléctrica.

“O estudo mostra: teoricamente, é possível converter cerca de metade da energia cinética de uma onda em energia eléctrica - um valor próximo do limite físico.”

O investigador japonês Takahito Iida publicou os resultados na revista científica “Journal of Fluid Mechanics”. Por enquanto, não existe um protótipo a operar no mar: o estudo assenta integralmente em modelos matemáticos e simulações computacionais. Ainda assim, os cálculos dão pistas concretas sobre como dimensionar um GWEC para extrair o máximo possível da energia das ondas.

Porque falharam os giroscópios de energia das ondas anteriores

Soluções giroscópicas para aproveitar a energia das ondas não são novidade. Nos anos 2000, por exemplo, o Politecnico di Torino, em Itália, desenvolveu o projecto ISWEC, também ele um sistema flutuante com uma roda de inércia no interior. Apesar de alguns desses conceitos terem apontado para uma exploração comercial, não chegaram a generalizar-se.

A razão principal está na imprevisibilidade do mar. As ondas variam continuamente em:

• altura
• direcção
• frequência
• forma

Muitos sistemas anteriores eram afinados para um tipo de onda específico - por exemplo, para um comprimento de onda considerado “típico” numa determinada zona. Quando as condições mudavam, o rendimento caía a pique. É semelhante ao que acontece com painéis solares fixos, montados sempre na mesma orientação, independentemente da posição do sol.

Assim, embora em condições ideais fosse possível obter quantidades respeitáveis de energia, em mar real - irregular e mutável - essas soluções acabavam por captar apenas uma fracção do potencial disponível. Na prática, a falta de flexibilidade tornava a tecnologia arriscada do ponto de vista económico.

O que muda nesta nova abordagem

A proposta de Iida ataca exactamente esse ponto fraco. Em vez de se limitar a um desenho rígido, o foco passa para o controlo dinâmico do conjunto. Para isso, recorreu à teoria linear das ondas, uma descrição matemática simplificada em que as ondas são tratadas como oscilações regulares e previsíveis.

Com estes modelos, avaliou como o giroscópio se comportaria perante uma grande variedade de estados do mar. Duas variáveis revelaram-se determinantes:

• a velocidade de rotação do volante de inércia
• a carga eléctrica no gerador, isto é, o quanto o gerador “trava” o sistema

A ideia-chave é que ambos os parâmetros têm de ser ajustados em tempo real às condições observadas. Com mar mais calmo, o sistema deve reagir de uma forma; com ondulação mais forte, de outra. Desta maneira, o GWEC procuraria manter um nível elevado e estável de aproveitamento energético sem ficar dependente de uma única “onda de projecto”.

“Segundo o modelo, o rendimento mantém-se perto dos 50 por cento, mesmo quando as condições de onda mudam de forma significativa. Foi precisamente aí que os sistemas anteriores perdiam uma parte substancial da potência.”

Embora ainda não exista um protótipo, Iida indica que já decorrem planos para instalações experimentais. Os primeiros ensaios poderão ocorrer em canais de ondas ou em zonas costeiras abrigadas, antes de o sistema ser posto à prova em oceano aberto.

O limite físico em pano de fundo

A fasquia dos 50 por cento não aparece por acaso. Representa um limite físico geral: um conversor oscilante à superfície não consegue extrair mais do que cerca de metade da energia contida numa onda individual. Se a extração for excessiva, o próprio movimento ondulatório fica tão alterado que a onda praticamente “quebra” e deixa de haver energia adicional a alimentar o sistema.

Há um paralelismo na energia eólica. Aí fala-se do limite de Betz, em torno de 59 por cento, que estabelece quanta energia um rotor pode retirar do vento sem bloquear demasiado o escoamento do ar.

O modelo de Iida aproxima-se de forma surpreendente desse limite para as ondas. Ainda assim, convém sublinhar que os cenários de base eram relativamente idealizados: ondas uniformes, regulares e com forma bem definida. Em simulações iniciais com ondas irregulares e assimétricas, o rendimento desceu de forma perceptível, sobretudo com mar muito agitado.

Onde estão as incertezas

Mesmo uma métrica apelativa pouco vale se o balanço energético total não fechar. Nas contas actuais falta um elemento essencial: a energia necessária para manter o volante de inércia estável à velocidade pretendida. Atrito nos rolamentos, perdas no accionamento, electrónica e controlo - tudo isso consome electricidade.

Se o consumo próprio engolir uma parte demasiado grande da energia gerada, o resultado líquido piora. No limite, em condições reais, o sistema poderia até gastar mais energia do que aquela que entrega. Só testes com máquinas reais e água do mar permitirão perceber onde esse ponto se situa.

Iida não pretende travar por causa disso. O passo seguinte passa por ensaios à escala, com sensores capazes de medir não só o estado do mar, mas também correntes, temperaturas e esforços no interior do GWEC. A partir desses dados, será possível estimar rendimentos efectivos e taxas de desgaste.

É possível ultrapassar a barreira dos 50 por cento?

O estudo levanta ainda uma hipótese particularmente interessante. O limite físico referido aplica-se a sistemas simétricos sobre uma superfície plana. Iida questiona: e se o corpo flutuante for propositadamente assimétrico? Por exemplo, com formas de casco diferentes à proa e à popa, ou com largura variável.

Uma geometria assimétrica poderia interagir de outro modo com a ondulação - quebrando-a, focando-a ou desviando-a - e, teoricamente, permitir maior captação do que a de um dispositivo perfeitamente simétrico.

“Por enquanto, isto é explicitamente especulação. Não existem provas de que a barreira dos 50 por cento possa ser ultrapassada, apenas indícios matemáticos.”

É certo, porém, que um desenho deste tipo tornaria a construção e o controlo bastante mais complexos. A estrutura teria de resistir a cargas elevadas e, ao mesmo tempo, ser avaliada quanto a estabilidade e segurança - afinal, as ondas chegam de todas as direcções e, por vezes, com enorme violência.

O que a electricidade das ondas poderia significar para o abastecimento energético

A energia das ondas é vista como um complemento atractivo à energia eólica e solar. Em muitas regiões, a ondulação é relativamente constante e mantém-se durante a noite e em dias nublados. Para países insulares ou zonas costeiras com pouca área disponível em terra, um GWEC operacional poderia tornar-se uma fonte adicional de electricidade mais resistente às variações meteorológicas.

Cenários de utilização frequentes incluem:

• fornecimento eléctrico a ilhas remotas
• apoio a parques eólicos offshore
• fontes energéticas autónomas para estações de investigação ou plataformas de perfuração
• alimentação de unidades de dessalinização na costa

Ao mesmo tempo, há riscos e desafios claros. A água salgada acelera a corrosão, tempestades podem danificar estruturas e a manutenção em mar aberto é cara e perigosa. Qualquer componente móvel - em especial um volante de inércia de rotação rápida - precisa de encapsulamento robusto e monitorização fiável.

Quão realistas são as centrais giroscópicas flutuantes?

A passagem do conceito de Iida a um produto comercial depende de múltiplos factores: custo, durabilidade, exigências de manutenção e, sobretudo, a produção líquida de electricidade. Mesmo um conversor muito eficiente pouco ajuda se só for acessível com navios especializados ou se se degradar ao fim de poucos anos.

Ainda assim, a utilidade do estudo não se limita ao desenho em si. Mostra até que ponto uma estratégia de controlo bem concebida pode elevar o desempenho de ideias já conhecidas. Em vez de se mexer apenas no hardware, o destaque vai para a adaptação dinâmica - uma tendência visível noutros ramos da energia, como turbinas eólicas com passo de pás avançado ou sistemas de baterias com gestão inteligente.

Para quem se aproxima do tema da energia das ondas, alguns termos surgem com frequência:

Termo	Significado
Houlomotricidade / energia das ondas	Utilização da energia de movimento das ondas para produzir electricidade
Precessão	Resposta de um corpo em rotação numa direcção perpendicular à força aplicada
Volante de inércia	Corpo pesado em rotação que armazena energia cinética
Rendimento	Relação entre energia útil e energia introduzida ou disponível

Os próximos anos dirão se um giroscópio flutuante consegue, de facto, alimentar regiões costeiras inteiras - ou se acabará por encontrar lugar apenas em aplicações de nicho. Uma coisa é certa: a procura de fontes renováveis fiáveis está a levar investigadores em todo o mundo a tentar domar, com a máxima eficiência, o movimento aparentemente caótico do oceano.