O que torna a energia renovável tão estimulante é o imenso potencial econômico de avanços tecnológicos inovadores.
Uma descoberta recente de engenheiros da Escola de Engenharia, Computação e Matemática da Oxford Brookes University pode mudar o projeto de parques eólicos offshore para sempre. O estudo, liderado pelo professor Iakovos Tzanakis, demonstra que as turbinas eólicas de alto mar e costeiras podem alcançar um aumento de 15% na produção de energia se as turbinas eólicas de eixo horizontal tradicionais (HAWTs) forem substituídas por um projeto de turbina eólica de eixo vertical (VAWT). Enquanto os moinhos de vento HAWT clássicos produzem energia com um design padrão de “cata-vento” de três lâminas, o VAWT utiliza uma forma mais cilíndrica com lâminas girando em torno de um eixo central.
O principal problema com os parques eólicos HAWT convencionais – que podem chegar a 60 a 70 turbinas com mais de 1.500 acres – é que a eficiência se degrada rapidamente nas filas posteriores devido à turbulência das primeiras filas da formação. As turbinas de eixo vertical resolvem esse problema gerando menos turbulência e, em alguns casos, até melhorando a eficiência das turbinas próximas.
A base de sua pesquisa está na análise de fluxo computacional usando 11.500 horas de simulações de computador para otimizar o posicionamento. Eles também analisaram os efeitos da turbulência gerada a jusante, que reduz a eficiência da fila de trás dos HAWTs tradicionais para 25-30%.
Esta descoberta exige um estudo mais aprofundado de parques eólicos condensados, uma vez que os projetos atuais das turbinas devem ser usados em uma aplicação única. Quando instaladas próximas umas das outras, as características de desempenho mudam, reduzindo a eficiência das turbinas ao redor devido à turbulência criada na direção do vento. A turbina offshore típica da GE é enorme, medindo 220m de diâmetro e 248 m de altura, e produzindo 12-14 MW de energia em média – ou o suficiente para abastecer até 12.600 residências.
A capacidade atual da turbina dos EUA para eólica totaliza 118 GW ou 8,4% da produção de energia em escala de serviço público. A capacidade eólica offshore é de míseros 42 MW liderada pelo primeiro parque eólico offshore em Block Island, RI, que responde por 30 MW. Além do projeto Vineyard Wind, recentemente anunciado, que fornece 800 MW, a empresa dinamarquesa Orsted vem desenvolvendo dois projetos da Ocean Wind para fornecer um total de 2,3 GW ao estado de Nova Jersey.
As aplicações iniciais da tecnologia de turbinas eólicas começaram na década de 1970, com foco em aplicações remotas de pequena escala, como estações de pesquisa desconectadas da rede elétrica. O maior obstáculo na progressão dos projetos VAWT é a falta de um formato de aerofólio adequado e problemas com os sistemas de frenagem, que aumentam os custos da unidade. As aplicações aeroespaciais tradicionais forneceram anos de pesquisa e base técnica para a criação do comumente visto design de “catavento”. O mercado de turbinas eólicas onshore é dominado por um projeto HAWT de três rotores padrão da indústria, mas não há um projeto padrão para VAWTs. Investimentos recentes em parques eólicos offshore, como o Vineyard Wind Project, usam um projeto HAWT de três rotores típico oferecido pelo líder de mercado GE em uma aplicação baseada em rocha não adequada para águas profundas.
Dadas as condições violentas e imprevisíveis das águas profundas do oceano, sem falar no peso e equilíbrio de uma turbina eólica, é compreensível que a tecnologia necessária para montar uma turbina flutuante só tenha sido criada recentemente. A solução proposta foi idealizada pelo Laboratório Nacional Sandia, em parceria com o Departamento de Energia e universidades de todo o país. Depois de conduzir a pesquisa da Fase Um com um subsídio de US$4,1 milhões ao longo de 5 anos, esta solução forneceu percepções que incluíram uma redução no Custo Nivelado de Energia (LCOE) por meio da aplicação de um projeto VAWT.
Muito do trabalho inicial da Sandia Labs foi na criação de simulações de projetos eólicos offshore. Outros desenvolvimentos incluíram a melhoria do projeto de aerofólios e geradores mecânicos, bem como o aperfeiçoamento dos métodos para proteger uma turbina para operação segura em águas profundas. A pesquisa do projeto foi concluída em 2014 e foi seguida por uma publicação do Departamento de Energia em 2017, estabelecendo as recomendações oficiais de design.
As soluções atuais do mercado VAWT são voltadas para microrredes e aplicações em climas extremos. Eles possuem um benefício inerente pelo fato de serem capazes de ter um bom desempenho em ambientes climáticos estressantes; as turbinas são capazes de funcionar mesmo em climas de tufão, o que pode ser um salva-vidas para a infraestrutura de águas profundas do oceano, como poços de petróleo.
Nações como o Reino Unido e a Alemanha já estão na vanguarda em capacidade de produção e investimento em energia eólica offshore. As Ilhas Britânicas abrigam a primeira unidade offshore de 12 MW (MegaWatt) fabricada pela GE, o mesmo projeto sendo usado no projeto Vineyard Wind.
Os interesses britânicos residem em aplicações marítimas costeiras, onde as condições são facilmente gerenciadas pelo projeto HAWT oferecido pela GE. O projeto nos EUA é o parque eólico Block Island a três milhas da costa de Rhode Island, que produz 30 MW de uma série de unidades fornecidas pela GE, o suficiente para abastecer 27.000 residências. Poucas nações atualmente usam energia eólica de alto mar, já que pode custar o dobro da alternativa costeira com base no LCOE.
A energia eólica offshore encontrou um nicho de aplicação para o fornecimento de energia offshore. Um dos clientes mais exigentes em energia offshore é a indústria do petróleo, que atualmente movimenta plataformas com geradores elétricos a diesel. O poço de petróleo offshore típico consome 20-30 metros cúbicos (5200-8000 galões) por dia. Esta aplicação específica permite que um alto LCOE – como o vento offshore – seja considerado competitivo.
Os investimentos recentes do provedor de energia norueguês Equinor no Mar do Norte se concentram em alimentar suas plataformas de petróleo com energia eólica offshore. O projeto proposto Hywind Tampen inclui 11 HAWTs flutuantes que produzem 88 MW, atendendo a mais de 35% da demanda de energia para uma série de cinco plataformas offshore. O projeto Hywind deve cortar 200.000 toneladas de emissões de CO2 por ano. Mais investimentos em tecnologia eólica offshore podem eliminar totalmente a necessidade de combustível diesel.
Nos Estados Unidos, existem projetos de pequena escala para testar os designs de HAWTs flutuantes. Em 2013, um modelo em escala foi instalado na costa do Maine pelo DeepCwind Consortium, trabalhando em parceria com a University of Maine. A Principle Power, sediada em Seattle, instalou seu design Windfloat patenteado na costa oeste dos EUA em uma aplicação em alto mar. A Principle Power tem atualmente cinco unidades em operação e provou a capacidade de seu projeto de suportar ondas de até 17 metros e ventos de 41 m/s.
Se os Estados Unidos decidirem investir ainda mais no desenvolvimento da tecnologia de turbinas flutuantes VAWT, eles podem se tornar líderes globais em energia eólica em alto mar. Depois de superar as barreiras técnicas criadas por materiais e sistemas mecânicos, a capacidade de produção de um parque eólico em alto mar é infinitamente escalável quando a tecnologia correta é utilizada. Modelos como os criados pela equipe da Oxford Brookes University dão crédito à ideia de substituir plataformas flutuantes de petróleo por turbinas eólicas. A ironia final seria os gigantes do petróleo aplicando suas tecnologias de alto mar para desenvolver a primeira linha de turbinas flutuantes escaláveis para aplicações em alto mar.
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