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Novo dispositivo para armazenar energia com eficiência

Novo projeto de discos giratórios poderá competir com outras tecnologias

 

VOLANTE INERCIAL: Um novo projeto de volante inercial oferece alguma esperança para a armazenagem de energia acessível em sistemas domésticos, como paineis fotovoltaicos em telhados. 

 
Por Chris Nelder

Renováveis poderiam ser a principal fonte de energia do mundo se alguém conseguisse resolver os problemas de armazenagem – como armazenar grandes quantidades de energia, com baixo custo, em grande escala?

Baterias são caras demais e não duram o suficiente. Bombas hidráulicas são baratas, mas impraticáveis na maioria dos lugares. O armazenamento térmico é promissor, mas ainda é muito caro ou difícil de uso em escala. O ar comprimido é barato e escalável, mas ainda não é eficiente o bastante (apesar de a LightSail, uma nova empresa apoiada por Peter Thiel, Vinold Khosla e Bill Gates, esperar mudar isso). E quanto a volantes inerciais? A principal empresa, Beacon Power, faliu em 2011.

Mas os volantes inerciais podem estar ganhando uma vida nova.

O inventor Bill Gray, do Vale do Silício, tem um novo projeto que forneceria armazenagem e distribuição altamente escaláveis por aproximadamente US$1,333 por kilowatt, o que o tornaria competitivo com bombas hidráulicas e ar comprimido.

Com uma eficiência de mais de 80%, ela rivalizaria com as melhores alternativas de armazenagem, e viria com 10 anos de garantia. E ainda seria o complemento perfeito para uma casa fora da rede elétrica com um sistema solar fotovoltaico (FV), capaz de ser completamente carregado em cinco horas – dentro do tempo de carga da maioria dos sistemas FV – e armazenar 15 kilowatt-horas de energia, o suficiente para manter uma casa modesta funcionando do por ao nascer do sol. 

Gray chama sua invenção de Velkess (acrônimo em inglês para “Sistema muito grande de armazenagem de energia cinética”). Atualmente ele está levantando dinheiro para o protótipo em uma campanha no Kickstarter.

O Velkess otimiza volantes inerciais tradicionais com uma melhor administração da “oscilação” natural de uma massa giratória.

Volantes tradicionais são muito caros porque engenheiros alinham o eixo natural de sua rotação com a rotação desejada do gerador. Assim, eles estão sempre lutando para minimizar a oscilação natural do volante usando imãs e rolamentos bastante caros, engenharia de alta precisão e materiais como fibra de carbono de alta qualidade ou aço rígido. O rotor da Beacon para armazenagem na rede elétrica custava incríveis US$3 milhões por megawatt-hora.  

Em vez de tentar enfrentar a oscilação, Gray decidiu redirecioná-la suspendendo a roda em um cardan – o mesmo conceito que faz um giroscópio funcionar.

O cardan do Velkess é assimétrico, então os dois eixos de rotação – o eixo do volante que conduz o motor DC sem escovas – não ficam no mesmo plano, e tem períodos diferentes de frequência. Isso reduz os efeitos de ressonância que tornam os rotores tradicionais difíceis de controlar (uma perturbação ressonante em um dos planos pode se intensificar até que o dispositivo se despedace).

Com o cardan, a ressonância em um plano é traduzida no outro, que não ressona na mesma frequência. Dessa forma, só são necessárias tolerâncias bem grandes – cerca de 1/16 de polegada [NT: Aproximadamente 0,158 centímetros] – para construir o dispositivo.

Gray se baseou em um trabalho pioneiro do engenheiro mecânico John Vance, professor aposentado da Texas A&M University, que conduziu pesquisas extensas com volantes inerciais, vibrações de máquinas e dinâmica de rotores. Gray também reduziu o custo dos materiais. Em vez de produzir o volante a partir de fibra de carbono ou aço, ele usou fibra de vidro do tipo “e-glass” – o mesmo material usado em portas de box de chuveiro e varas de pesca. Como esse é um material muito mais flexível, o volante de fibra de vidro tende a se curvar e oscilar muito mais que aço ou fibra de carbono quando sua velocidade de giro muda.

O foco de Gray em reduzir os custos de capital da armazenagem, enquanto outros produtores de volantes inerciais se concentraram em aumentar a densidade e gerar capacidade, parece ter dado certo. De acordo com Gray, o Velkess pode armazenar eletricidade por US$300 mil por megawatt-hora, ou cerca de um décimo do custo da unidade da Beacon. “Estou feliz em ver esse conceito recebendo publicidade, já que acredito que ele seja promissor”, declara Vance sobre o Velkess. 

O projeto de Gray também torna mais fácil controlar uma possível falha de suas partes mais críticas: o volante em si e os rolamentos. Como o dispositivo é um feixe de milhares de fibras, se uma delas se partir, ela simplesmente sairá do feixe em vez de estressar diretamente o resto do volante e fazê-lo se partir. O volante simplesmente “arremessaria” material leve.   

Como rolamento, o Velkess usa rolamentos esféricos de “contato angular híbrido de cerâmica” (nitreto de silício) correndo em um trilho de aço inoxidável, onde tanto os rolamentos quanto a carga axial ficam flutuando sobre imãs. Se os rolamentos começarem a falhar, o calor gerado por eles é logo identificado por um simples sensor de temperatura.

Qualquer tipo de falha poderia ser facilmente detectado muito antes de um evento catastrófico, permitindo que o dispositivo emita um alerta e dispare o desligamento. Em um desligamento fora da rede elétrica, o dispositivo soltaria ar quente até parar de girar – aproximadamente o equivalente a um secador de cabelo de 1500 watts funcionando por 10 horas. Em uma aplicação conectada à rede, ele poderia simplesmente descarregar a energia na rede.

Todo o dispositivo fica contido em uma caixa de aço selada, com aproximadamente as mesmas dimensões de uma geladeira doméstica, apenas um pouco mais baixa. O volante em si tem cerca de 66 por 66 centímetros de altura e diâmetro, e pesa cerca de 340kg.

Ele será otimizado para fornecer até três kilovolt-amperes de energia contínua a 27 amperes, mas pode lidar com “bursts” energéticos que ocorrem quando aparelhos de alto consumo, como bombas d’água e serras circulares, são ativadas. A unidade poderia se descarregar em qualquer frequência até o volante chegar em sua velocidade ‘totalmente descarregada’ de 9000 revoluções por minuto.

Inicialmente, Gray pretende visar o mercado residencial de 48 volts fora da rede elétrica, onde o Velkess seria um substituto para sistemas típicos de baterias de 48 volts. Depois disso viriam o mercado residencial e o de pequenos estabelecimentos comerciais de 240 volts, em que o Velkess poderia substituir sistemas FV conectados à rede elétrica quando a rede cair. Por fim, ele pretende chegar ao mercado solar de 600 volts. 

O Velkess poderia ter sucesso onde o Beacon fracassou em vários aspectos. O último dispositivo, como muitos de seus competidores, só conseguia descarregar grandes quantidades de energia por curtos períodos, enquanto o produto de Gray faria o oposto: ele poderia descarregar tão lentamente quanto necessário durante horas. E enquanto o sistema da Beacon era tão caro que só fazia sentido para aplicações industriais, o de Gray seria barato o suficiente para fazer sentido econômico no mercado residencial e de pequenos comércios.

Além disso, o Velkess satisfaz o último fator crucial para o armazenamento elétrico – a escala. Várias unidades podem ser ligadas juntas em paralelo.

De acordo com um analista da Lux Research, com sede em Boston, dispositivos de armazenagem de energia poderiam ser um mercado global de US$31,5 bilhões em 2017. Se o protótipo do Velkess puder ser produzido pelo preço e desempenho anunciados, ele poderia ganhar uma grande parte desse mercado, e resolver o problema da intermitência de renováveis de uma vez por todas.