Na Califórnia (EUA), entre a brisa do Oceano Pacífico e o calor do deserto de Mojave, estende-se o desfiladeiro de Tehachapi, uma zona privilegiada para o aproveitamento da energia do vento.
Este é o ponto, entre o ar fresco do oceano e o calor do deserto, que apresenta menor altitude. E o vento (que se forma devido às diferenças de temperatura e pressão dos gases na nossa atmosfera) “procura” sempre estas zonas, mais baixas. Assim, todos os dias, quando o sol começa a desaparecer e se dá o “choque” entre este diferencial de temperaturas e humidades, o vento invade o desfiladeiro como um rio.
Esta correnteza de vento intenso, previsível e sempre na mesma direção, fez do desfiladeiro de Tehachapi um dos primeiros locais escolhidos para a implementação de turbinas eólicas nos Estados Unidos. O curioso é que, com o passar dos anos e a evolução da tecnologia eólica, o desfiladeiro começou a “acumular” turbinas de diferentes épocas, tornando-se um autêntico museu.
De múltiplos formatos, com diferentes capacidades e especificações técnicas, as turbinas erguem-se em várias zonas do desfiladeiro, prestando testemunho da passagem do tempo e do enorme crescimento que teve esta forma de captação de energia natural para a produção de eletricidade.
Um museu que cria luz
Rising Tree, o parque eólico da EDP Renováveis no desfiladeiro de Tehachapi, tem uma capacidade instalada de 198 megawatts (MW), o suficiente para fornecer eletricidade a cerca de 92 mil casas americanas na Califórnia. O parque entrou em funcionamento em 2014, contendo algumas das turbinas mais modernas à data.
Mas imediatamente por trás dos aerogeradores mais modernos (a escassos quilómetros de distância) encontram-se, ainda em funcionamento, turbinas dos anos 1980 e 1990: 10 vezes mais pequenas que as atuais e mil vezes menos poderosas. Só para ter uma ideia, hoje em dia, 6 turbinas eólicas são suficientes para produzir o mesmo que 240 turbinas produziam há 20 anos.
Mas como é que foi possível manter turbinas de há 40 anos em funcionamento até aos dias de hoje? Uma das estratégias empregues foi o reaproveitamento de peças de aerogeradores avariados, incorporando-as nos que ainda funcionam. Pode parecer algo insignificante, mas não é, porque peças de substituição para turbinas com 40 anos são algo que simplesmente deixa de ser produzido. Assim, retirando partes de umas e consertando outras, foi possível manter 80 ou 90 turbinas antigas a produzir, num local que, há 20 anos, tinha 240.
Primeiros passos, por tentativa-erro
Uma visita a esta região revela uma disposição de aerogeradores algo caótica. Modelos topo de gama partilham o espaço, as funções e responsabilidade com os seus antecessores, como se se tratassem de colaboradores de várias idades numa mesma empresa.
Esta mescla paisagística, em que grupos de turbinas gigantescas são “intervalados” por outras, mais pequenas e menos poderosas, deve-se também à evolução dos tempos.
Nos anos 70 e 80, não existiam ferramentas para medir eficazmente o vento (os chamados anemómetros), nem existiam satélites a rondar a atmosfera, pelo que não era possível obter uma visão global do país, nem saber ao certo quais seriam as zonas mais proveitosas em termos de vento. Além disso, as turbinas de hoje podem ser postas a funcionar a velocidades variáveis, enquanto antigamente só se sabia aproveitar ventos muito fortes.
Como tal, não era certo qual a localização mais indicada, na zona, para montar as turbinas — foi uma aprendizagem por tentativa-erro que levou a que os aerogeradores mais antigos fossem montados de forma aparentemente desordenada.
Uma tecnologia em expansão
A produção de eletricidade através da força do vento foi a que, de todas as fontes de energia, deu o maior salto qualitativo e quantitativo, no mais curto espaço de tempo: nas duas últimas décadas atingiu os 370 GW de produção acumulada, a nível mundial.
A maioria da capacidade instalada encontra-se na Ásia, seguida da Europa e Estados Unidos da América, mas o papel dos mercados emergentes tem aumentado a cada ano.
E, à medida que a capacidade instalada foi aumentando, a tecnologia também foi evoluindo, no sentido de produzir mais, a menor custo, mas também de forma mais eficiente e sustentável. Ou seja, os objetivos da evolução tecnológica vão além da simples intenção de captar mais energia — preocupações como minimizar impactos ambientais ou melhorar a integração com as redes elétricas também estão em cima da mesa.
Os avanços tecnológicos têm permitido até explorar esta fonte renovável em locais de potencial eólico reduzido, nomeadamente em climas mais frios ou com altitudes mais elevadas, onde a densidade do ar é menor.
Turbinas para todos os gostos
Os fabricantes de turbinas estão constantemente em busca de adaptar as suas soluções aos desafios específicos de cada projeto. A proliferação de fabricantes tem estimulado o mercado e as tecnologias disponíveis variam de geografia para geografia. A concorrência é tal, que hoje em dia é possível consultar anualmente, em sites da especialidade, as listas das “10 melhores turbinas eólicas do mercado”, como faríamos se quiséssemos, por exemplo, comprar um telemóvel.
Quais são então os critérios que distinguem umas turbinas de outras? A que teria de estar atento, se fosse montar uma turbina? Um aerogerador comum atualmente inclui os seguintes componentes:
- Base em aço, cimento ou mista.
- Rotor com três pás e mecanismo de orientação ativo para preservar o alinhamento com a direção do vento.
- Sistema de controlo de ventos de altas velocidades (pitch control)
- Unidade de tração, de velocidade variável, que permite otimizar a captação de energia mesmo perante ventos mais fracos
A base
Quando observamos as bases para eólicas no mercado, verificamos que a tendência vai no sentido de as construir cada vez mais altas, acompanhando o aumento do tamanho dos rotores das turbinas.
Contudo, os custos de construção da torre e da sua base aumentam em proporção, portanto tem de ser sempre equacionado o custo-benefício de cada solução.
As torres em aço têm sido a solução mais procurada, mas o aumento da altura das torres veio obrigar à procura de outras alternativas. Isto porque construir uma torre em aço muito alta vai exigir uma base com um diâmetro consideravelmente maior: uma torre de 100 metros de altura, por exemplo, implica uma base com um diâmetro de 4 metros! Ora, isto torna o seu transporte particularmente problemático… e levou a que as construções em betão, no próprio local, se tornassem uma alternativa viável.
Outras soluções incluem o mix de betão e aço, em que a base é de betão (armado no local ou transportado às partes) e a parte superior da torre é feita em estruturas tubulares de aço.
O rotor
O tamanho dos rotores (as pás das turbinas) tem-se tornado cada vez maior com o passar do tempo, mas o mais relevante é que a área de varrimento das pás, isto é, a quantidade de energia do vento que são capazes de captar, duplicou.
Note-se ainda que o diâmetro dos rotores das turbinas é muito variável, consoante a sua localização, ou mais especificamente consoante as características dos ventos de cada região. Nos Estados Unidos existem normalmente rotores maiores que noutros mercados, pois os ventos da região são tipicamente de velocidade média.
Por sua vez, o diâmetro dos rotores, na Europa, variam ainda mais do que aqueles que encontramos na Ásia ou Estados Unidos — as características dos ventos europeus são muito diferentes de país para país, o que justifica esta diversidade.
Verificamos que aumentar o tamanho das pás aumenta a possibilidade de captação de energia, mas calma. Convém ter em consideração que, quanto maiores são as pás de um rotor, mais difícil se torna o seu transporte. Basta imaginar o raio de viragem necessário para fazer uma curva levando pás com mais de 50 metros na “bagageira”...
Os sistemas de controlo
As turbinas, ou aerogeradores, são construídas de forma a aguentar ventos muito fortes, mas apenas quando paradas. Ou seja, são capazes de resistir a uma tempestade, mas só se as pás não estiverem em movimento — se rodassem livremente perante ventos mais severos, eles iam gerar forças de tal ordem que acabariam por desfazer a turbina por completo.
Como tal, os aerogeradores de hoje estão equipados com sistemas de controlo e travões que entram em funcionamento quando os ventos atingem determinadas velocidades, prevenindo ameaças. Existem dois tipos principais de sistemas deste género: o controlo de stall (abrandamento) e o controlo por pitch (inclinação).
Nos anos 80, o mercado fixou-se num modelo de turbina dinamarquês de três pás com tecnologia de controlo passivo (o método de abrandamento) e velocidade fixa, permitindo captações médias de 200kW. Mas desde então a tecnologia evoluiu e, hoje em dia, o standard fixa-se em turbinas de velocidade variável e sistemas de controlo por pitch.
O controlo por pitch não é mais que a possibilidade de variar o ângulo das pás das turbinas, ou seja, rodá-las sobre o seu próprio eixo para que não fiquem “de frente” para ventos demasiado fortes.
O tamanho das turbinas tem também aumentado de forma constante. Atualmente, os aerogeradores mais frequentemente instalados (em terra, não offshore) têm entre 1,5 e 3MW de capacidade, com alturas que variam entre os 90 e os 110 metros e pás que atingem os 120 metros de diâmetro! Não é de estranhar que haja especial cuidado em prevenir que se desfaçam e desatem a voar terra fora.
A unidade de tração
A unidade de tração é responsável pela conversão da energia mecânica, captada no rotor, em energia elétrica. E podemos classificar as turbinas de acordo com os passos que esta conversão implica:
- Turbina motorizada com um gerador de alimentação dupla: aqui, a unidade de tração converte a velocidade baixa a que as pás giram numa velocidade muito mais alta, necessária para o funcionamento do gerador. A velocidade deste gerador pode ser adaptada à velocidade do sistema mecânico.
- Turbina de tração direta: nestas turbinas existe um gerador diretamente acoplado ao eixo principal, com ímanes que giram à mesma velocidade que o rotor e, assim, produzem eletricidade. Este gerador, por sua vez, está ligado à rede elétrica através de um conversor de potência que ajusta a voltagem da eletricidade gerada à da rede elétrica.
- Turbina mista/híbrida: quanto maiores são as pás de uma turbina, menor é a velocidade a que elas giram. Por outro lado, os ímanes presentes nos geradores têm de girar a uma velocidade muito alta de forma a produzir eletricidade. Isto implica normalmente a presença de equipamentos complexos e pesados que possam converter a energia mecânica em energia elétrica. As turbinas mistas são uma solução simplificada, que através de uma caixa de velocidades, consegue converter a baixa velocidade das pás na velocidade média ou alta dos geradores.
Ilustração interior de uma turbina:
Conforme vimos, as turbinas eólicas de hoje são máquinas sofisticadas desenhadas para captar a energia mecânica do vento e convertê-la em eletricidade. As pás da turbina captam o vento e fazem girar um eixo interno, que está ligado a uma caixa de velocidades. Essa por sua vez faz rodar um gerador que produz eletricidade.
As torres, em aço ou betão, suportam um rotor com três pás e incluem ainda um compartimento onde se encontra o eixo interno, a caixa de velocidades, o gerador e o sistema de controlo.
São realizadas medições frequentes das forças do vento para determinar a melhor posição da turbina (de forma a ficar de frente para os ventos mais fortes) e das suas pás (para otimizar a captação, mas evitar acidentes).
Ir ao museu para ver o vento
A tecnologia de produção eólica está em constante evolução, no sentido de criar máquinas mais robustas, mas com menos impacto ambiental e visual. Aumentar a eficácia das turbinas continua a ser um desafio, dada a tendência para o crescimento exponencial do peso e tamanho dos seus componentes.
Os vários tamanhos e feitios das turbinas produzidas até hoje estão em exposição — e em funcionamento — na região de Rising Tree. Este museu, que é na verdade um parque eólico, conta uma parte interessante da História da energia. Vale a pena visitá-lo, se passar pela Califórnia.
O parque eólico Rising Tree, na Califórnia, é explorado pela EDP Renewables (EDPR) North America e tem a quarta maior capacidade instalada dos parques eólicos nos Estados Unidos. Além deste, a EDPR marca presença em parques eólicos de 14 estados dos EUA, além de estar presente no Canadá e no México.
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