Revolucionando energia hidrelétrica: pás de turbina compósitas para maior eficiência

O termo "energia hidrelétrica" frequentemente traz à mente operações imensas impulsionadas por infraestrutura construída propositadamente como sistemas de barragens e grandes turbinas com pás de turbina baseadas em hélice tradicionalmente metálicas. No entanto, muitas áreas estão ficando sem nova capacidade para grandes usinas hidrelétricas de alta potência. Ao mesmo tempo, a demanda por mais geração de energia renovável de menor custo continua a crescer.

O Departamento de Energia dos EUA (DOE), em seu relatório "Hydropower Vision" de 2018 delineando o estado atual da energia hidrelétrica nos Estados Unidos e seus objetivos para o futuro, previu que o crescimento no mercado hidrelétrico dos EUA — de 101 gigawatts (GW) de capacidade energética em 2018 para uma capacidade potencial de quase 150 GW em 2050 — exigiria novas tecnologias avançadas que possam fornecer mais energia a custos menores.

Uma solução potencial poderiam ser geradores hidrelétricos menores capturando energia não aproveitada de sistemas de baixo fluxo como canais de irrigação e riachos, segundo Darren Wren, gerente geral na Kinetic NRG (Gold Coast, Austrália). Fundada em 2016 pelo falecido fundador, Paul Camilleri, a Kinetic NRG é uma empresa de energia renovável financiada privadamente focada no desenvolvimento de nova tecnologia de geração hidrelétrica para fornecer eletricidade confiável de baixo custo.

Sistema HEG: micro-hidrelétrica para fluxos baixos

A primeira tecnologia da empresa é chamada de sistema Gerador de Energia Hidrocinética (HEG), que mede 1,5 metros de diâmetro com saída de até 30 quilowatts (kW) de fluxos de água de 2,0 metros por segundo. Esta saída o torna um sistema hidrelétrico "micro" de acordo com corpos de classificação como o DOE dos EUA, que define sistemas micro como aqueles com até 100 kW de capacidade. Destinado para uso direto em rios, canais de irrigação ou canais de corrida canalizando água de barragens existentes, o HEG é projetado para hidrelétrica de baixa queda — significando a "queda", ou distância entre a linha d'água e a turbina, é menor que 20 metros.

Projetando uma pá modular e fabricável

Os primeiros modelos de pequena escala da pá espiral da Kinetic NRG foram formados de metal, mas quando chegou a hora de fabricar o protótipo em escala real de 1,5 metro de diâmetro, "na verdade descobrimos que não conseguíamos fazê-lo", diz Wren. O conceito era começar com uma peça plana de metal e então formar ou forjar um conjunto de espirais irradiando do centro. "Simplesmente não conseguíamos encontrar uma maneira de acessar certos pontos da peça para criar a resistência que precisávamos", ele explica.

A empresa eventualmente abandonou seus esforços metálicos, mas não o design em si. Wren diz que a Kinetic NRG fez parceria com uma universidade local para explorar técnicas alternativas de fabricação e materiais como nylon ou cerâmica, e começou a conversar com empresas de impressão 3D para ver se manufatura aditiva poderia ser uma opção viável. Ainda, nenhuma solução se apresentou que fornecesse a combinação certa de fabricabilidade e propriedades mecânicas. Finalmente, após uma jornada de três anos, a Kinetic NRG foi introduzida através de uma conexão de rede de fornecimento à equipe da empresa de engenharia Advanced Composite Structures Australia (ACS-A, Melbourne), que se especializa em design e fabricação de componentes compósitos de baixo volume, alto valor agregado para uma variedade de mercados finais.

Wren chama o que aconteceu a seguir de "um encontro de mentes", explicando que a Kinetic NRG trabalhou com Paul Falzon, gerente geral na ACS-A, e sua equipe em vários métodos para fabricar e projetar a peça usando materiais compósitos — materiais que a ACS-A sabia por experiência que seriam capazes de entregar os requisitos de forma, peso e rigidez que a Kinetic NRG precisava.

O formato inovador da pá foi o desafio chave de design para o projeto, com requisitos mecânicos para a pá baseados, segundo Wren, em padrões definidos pelo DOE dos EUA e Comissão Eletrotécnica Internacional. O resto dos componentes do sistema — transmissão, gerenciamento de energia, comunicação, etc. — são produtos padrão prontos que são conhecidos por atender todas as regulamentações necessárias.

Segundo Falzon, a ACS-A primeiro avaliou as tentativas metálicas do design da pá, e então determinou como alcançar a forma requerida, tolerâncias dimensionais e peso da pá. A pá também precisava ser capaz de suportar ambientes aquáticos, e ser rígida o suficiente para suportar o eixo de aço da turbina no qual é anexada. A equipe da ACS-A começou com o design original em metal e "engenharia reversa" uma pá compósita de fibra de vidro para combinar a rigidez original, diz Falzon. No entanto, algumas mudanças de design precisaram ser feitas ao mudar de uma estrutura formada em metal soldada para um laminado compósito. Como Falzon explica, "Demos um passo para trás e perguntamos, 'Ok, se vamos aproveitar totalmente os materiais compósitos, como esta coisa se parece?'"

Após várias iterações e discussões, o design atual que tomou forma compreende quatro pás compósitos idênticas que se encaixam para formar a forma espiral final. "A pá compósita é na verdade mais grossa que o design de aço, mas mais leve por causa da menor densidade dos materiais com os quais estamos trabalhando", diz Falzon. "Ser mais grossa também significa que obtemos muito mais rigidez à flexão comparado ao design de aço, então você realmente obtém um produto muito mais rígido no geral."

Ferramentas invertidas

Desenvolver a forma para ferramentas, diz Falzon, foi a parte mais desafiadora do processo. A equipe da ACS-A avaliou a forma da montagem original da pá usando software CATIA da Dassault Systèmes (Waltham, Massachusetts, EUA). Isso levou ao desenvolvimento das superfícies da pá e design de conceitos de ferramentas. "Quando você olha para as peças como elas são hoje, elas são na verdade feitas em uma orientação de cabeça para baixo. O modelo da pá teve que ser invertido para criar a ferramenta, e é bizarro até você ver a ferramenta real quando ela chega. É bastante complexa", diz Falzon. Ele explica que a ferramenta teve que ser invertida "para garantir que poderíamos alcançar o acabamento de superfície requerido no lado da pá exposto ao fluxo de água", e para garantir que cada um dos componentes da pá fabricados pudesse ser desmoldado em uma peça. A ferramenta também teve que ser precisa: os componentes da pá intertravados tiveram que ser capazes de alinhar exatamente quando montados, uns com os outros e com o eixo central da turbina. Para o protótipo, a ferramenta, fornecida pela Sykes Australia (Sydney), foi fabricada a partir de pasta de ferramenta de baixo custo depositada sobre um suporte de espuma e então usinada CNC para a forma final.

Uma vez que a ferramenta foi desenvolvida, o atual protótipo de pá em escala real foi construído a partir de tecido não-crimp de fibra de vidro (NCF) e resina epóxi, fabricado via hand layup e curado à temperatura ambiente, seguido por pós-cura em forno a temperatura elevada e aplicação de tinta marítima. Os materiais foram selecionados, nota Falzon, para atender tanto os requisitos estruturais quanto de custo para a peça. Os subcomponentes intertravados são colados adesivamente — escolhido sobre fixação mecânica para melhor controle e precisão dimensional na montagem. "O verdadeiro truque", ele diz, "é garantir que as pás possam travar, mas uma vez que laminamos tudo e colamos junto, forma uma montagem muito rígida que alcança o desempenho de forma estrutural e hidrodinâmico necessário."

Análise digital da rigidez da estrutura e outras propriedades mecânicas foi realizada usando ferramentas da MSC Software (Newport Beach, Califórnia, EUA). "Este sistema é muito mais eficiente, mais leve e capaz de fazer mais trabalho que o design original", adiciona Falzon.

Rumo à produção comercial

Segundo Wren, a meta inicial de produção da Kinetic NRG será 950 unidades em um período de três anos, e então escalando a partir daí para vários milhares por ano. Clientes potenciais, diz Wren, podem incluir indivíduos e empresas privadas, empresas de energia e municípios — uma ampla gama, sublinhando a versatilidade do conceito HEG. Os sistemas podem ser instalados como "mini usinas hidrelétricas" dentro de canais de irrigação, ou colocados a jusante de geradores hidrelétricos existentes para gerar energia de off-flow subutilizado, ou como energia suplementar para comunidades ou negócios remotos, ele diz.

Atualmente, o protótipo HEG em escala real está passando por testes mecânicos em água; enquanto isso, processos de fabricação em larga escala estão sendo avaliados para produção comercial.

A ACS-A espera continuar ajustando o design da pá, conforme necessário, dependendo dos resultados dos testes mecânicos e requisitos para a fabricação mais custo-efetiva possível. Especificamente, Falzon diz que a ACS-A está explorando processos de pré-formação automatizados "para que possamos obter a forma certa com mínimo trabalho manual", seguido por moldagem por transferência de resina leve (L-RTM) ou outro processo de maior velocidade.

Métodos para montagem da turbina também estão sob avaliação, o objetivo sendo, diz Wren, para os subcomponentes da pá serem produzidos modularmente e montados localmente, para evitar os custos e desafios no envio de unidades completas em escala real enquanto criam oportunidades de emprego locais e reduzem custos de instalação. Para tornar isso possível, a ACS-A pode precisar modificar a forma como as pás se encaixam e o número de subcomponentes em cada montagem, também. "Ainda teremos as pás completas em sua forma original, isso ainda será uma parte chave", diz Wren, "mas podemos mudar onde as transições ocorrem para fazer a mesma forma em menos componentes para montagem no local mais fácil."

As duas empresas também estão avaliando conversão de componentes metálicos da turbina em compósitos, para reduzir peso da montagem geral. "Usaremos vidro onde apropriado e fibra de carbono onde for apropriado, mas no final, precisamos atingir um ponto de preço para a tecnologia a fim de tornar o custo de geração de energia para o sistema competitivo em custo", diz Falzon.

À medida que o design e processo de fabricação se aproximam da otimização, o próximo desafio será, segundo Wren, garantir o investimento certo e parcerias de fabricação para escalar para volumes comerciais.