Investigadores de Osaka querem gerar eletricidade a partir das ondas do mar usando giroscópios.

No mar aberto, uma caixa discreta balança ao sabor das ondas - e um dia poderá fornecer energia limpa às cidades costeiras.

Um investigador japonês garante que a energia do movimento das ondas do mar pode ser aproveitada de forma muito mais eficaz do que se imaginava. A ideia parece quase elementar: uma carcaça flutuante, no interior um volante de inércia a rodar rapidamente e, a completar o sistema, uma eletrónica de controlo programada de forma inteligente - e a instalação poderá gerar grandes quantidades de eletricidade. Por enquanto, tudo isto existe apenas em simulação, mas os resultados já despertam curiosidade internacional.

Como um GWEC transforma ondas em eletricidade

No centro do estudo está o chamado “Gyroscopic Wave Energy Converter”, ou GWEC, isto é, um conversor giroscópico de energia das ondas. O conceito foi desenvolvido na Universidade de Osaka pelo especialista em construção naval Takahito Iida. A ideia de base apoia-se num fenómeno físico bem conhecido: a precessão.

Um GWEC é, no essencial, uma caixa flutuante. No interior encontra-se um volante de inércia pesado, que roda a alta velocidade e está ligado a um gerador. Quando uma onda embate na estrutura, a caixa começa a oscilar e a inclinar-se. O giroscópio lá dentro “resiste” a esse movimento através da precessão e, com isso, cria uma força mecânica oposta.

“É precisamente essa reação mecânica que pode ser convertida em binário e, portanto, em corrente elétrica - o mar fornece o movimento, o giroscópio fornece a resistência.”

Muita gente conhece este princípio indiretamente do dia a dia: um pião que roda depressa não cai de imediato, e uma bicicleta em movimento mantém-se estável. Iida transpõe esse comportamento para um sistema flutuante de conversão de energia, concebido para se ajustar de forma deliberada ao ritmo das ondas.

Porque é que os anteriores aproveitamentos da energia das ondas falharam

A energia das ondas é vista há décadas como um complemento atraente à energia eólica e solar. A energia está praticamente sempre presente na água, sobretudo ao longo de costas ventosas e agitadas. Ainda assim, até agora quase nenhuma tecnologia atingiu maturidade industrial.

Uma das razões é simples: o oceano não segue qualquer guião. As ondas chegam de direções diferentes, com alturas, frequências e formas variáveis. Muitas soluções anteriores eram rígidas por natureza - só funcionavam idealmente dentro de uma faixa estreita de condições. Assim que a altura ou o período das ondas mudavam, a eficiência caía a pique.

Os especialistas comparam isso a um painel solar que não acompanha o sol: com o ângulo perfeito, tudo corre bem; fora disso, perde-se uma grande parte da energia. É precisamente aqui que o conceito de Iida tenta fazer a diferença.

O truque do GWEC: um sistema que “acompanha” o ritmo das ondas

O investigador analisou o comportamento do GWEC em detalhe com modelos matemáticos e simulações numéricas. A base é a teoria linear das ondas, que simplifica as ondas reais e as descreve como oscilações regulares. Dentro desse enquadramento, o sistema atingiu, em condições ideais, uma eficiência teórica de cerca de 50 por cento.

“Segundo os seus cálculos, o GWEC poderá converter cerca de metade da energia cinética das ondas que passam em energia elétrica - um valor que se aproxima de um limite físico fundamental.”

Tal só é possível porque o sistema se vai ajustando continuamente. Há dois parâmetros decisivos:

• Velocidade de rotação do volante de inércia: consoante a frequência das ondas, a instalação adapta a velocidade de rotação para captar o máximo de movimento possível.
• Carga do gerador: a resistência do gerador é alterada de forma dinâmica para que o giroscópio não fique “preso” nem rode demasiado livre.

Este ajuste permanente às condições atuais do mar deverá manter a eficiência estável, mesmo quando o oceano está agitado. Sistemas mais antigos reagiam às mudanças com lentidão ou simplesmente não reagiam - e o resultado era uma perda massiva de energia.

O teto invisível: porque é que os 50 por cento podem ser o limite

A marca de cerca de 50 por cento não surge por acaso; está ligada a uma limitação física. Nos conversores de energia das ondas que flutuam à superfície e oscilam, em teoria não é possível retirar mais do que aproximadamente metade da energia da onda incidente. De certa forma, isto faz lembrar o conhecido limite de Betz nas turbinas eólicas, que define a eficiência máxima de uma turbina face à energia do vento.

Nenhum engenheiro pode simplesmente “eliminar” esse limite. O mérito de Iida está em aproximar-se dele através de um leque mais vasto de espectros de ondas do que aquele que os dispositivos anteriores conseguiam acompanhar. O essencial, portanto, não é tanto o valor máximo absoluto, mas a robustez perante diferentes estados do mar.

Onde o modelo pode falhar na realidade mais dura

Por mais impressionantes que pareçam os números da simulação, eles trazem consigo várias reservas. As ondas usadas nos modelos de cálculo são idealizadas: uniformes, bem formadas e sem sobreposições caóticas. O mar real raramente se comporta assim.

Em cálculos posteriores com ondas irregulares e assimétricas, a eficiência já desceu de forma visível, sobretudo em mar alto e muito agitado. Acresce ainda outro ponto que, até agora, foi apenas abordado de forma marginal: as perdas internas do sistema.

• O volante de inércia tem de ser mantido continuamente em rotação.
• O atrito em rolamentos e engrenagens consome parte da energia.
• A eletrónica de controlo e os atuadores também precisam de eletricidade.

Estes consumos não foram totalmente incluídos nos primeiros cálculos. No cenário mais desfavorável, a instalação poderia gastar uma fatia relevante da própria eletricidade que produz para se manter a funcionar. Nesse caso, sobraria muito menos energia útil do que os 50 por cento teóricos.

Da modelação a uma plataforma de teste flutuante

Apesar de todas as incógnitas, a equipa de Iida já está a planear os próximos passos. Ensaios físicos em tanques de ondas e, mais tarde, no mar, deverão mostrar como o GWEC se comporta em água real. Só então será possível avaliar se o sistema de controlo complexo trabalha de forma suficientemente estável e qual é, afinal, o rendimento líquido de eletricidade.

Em paralelo, o investigador está a ponderar um desenho alternativo. Os conceitos anteriores, incluindo o seu modelo base, recorrem a formas simétricas da carcaça. Ele suspeita que essa simetria possa contribuir, em parte, para o limite de eficiência. Uma forma assimétrica poderá “agarrar” as ondas de outra maneira e talvez converter mais energia do que aquilo que as teorias atuais permitem.

“Se isso permitirá deslocar o suposto limite dos 50 por cento, continua por esclarecer - por agora, trata-se de uma hipótese arrojada, mas muito apelativa.”

O que a energia das ondas poderia significar para as zonas costeiras

A longo prazo, a investigação aponta para um cenário claro: as regiões costeiras poderiam passar a obter uma parte muito maior do seu abastecimento energético a partir do mar. As ondas continuam a fornecer energia mesmo quando não há vento e as nuvens espessas escondem o sol. Se forem bem dimensionados, os conversores de energia das ondas poderão complementar as instalações eólicas e solares e ajudar a suavizar picos de consumo.

É precisamente por isso que países com longas faixas costeiras - como o Japão, o Reino Unido, o Chile ou também vários Estados escandinavos - acompanham o tema com atenção. Para ilhas remotas, que hoje muitas vezes têm de importar gasóleo caro, uma central de energia das ondas robusta também poderia ser uma solução possível.

Oportunidades e questões em aberto

Aspeto	Potencial	Desafio
Produção de eletricidade	Injeção estável e bem previsível ao longo de costas adequadas	Estado do mar variável, períodos de tempestade, “calmas” em zonas protegidas
Tecnologia	Instalações compactas, com possibilidade de integração em parques eólicos ao largo	Corrosão, manutenção no mar, desgaste devido ao esforço contínuo
Ecologia	Em teoria, reduzida ocupação de solo e ausência de emissões de CO₂ durante a operação	O impacto sobre a vida marinha e as correntes tem de ser estudado
Economia	Perspetiva de energia costeira limpa, produzida localmente	Elevados investimentos iniciais, custos de manutenção e vida útil ainda incertos

O que significam termos como “energia cinética” e “precessão”

Quem se dedica à energia das ondas encontra rapidamente linguagem técnica. Energia cinética significa, de forma simples, energia de movimento. Um automóvel em andamento, uma onda a avançar ou um volante de inércia em rotação transportam todos energia cinética. Uma central tenta converter essa energia em eletricidade com o mínimo de perdas possível.

A precessão é menos intuitiva: um corpo em rotação não reage de forma direta para a direção da força aplicada, mas muitas vezes de forma lateral. É precisamente esse comportamento que o GWEC aproveita. A onda tenta inclinar a estrutura flutuante, o volante de inércia em rotação responde lateralmente - e esse movimento é convertido em binário para o gerador.

Quão realista é uma aplicação em grande escala

Se os conversores giroscópicos de energia das ondas vão ou não flutuar em fila ao longo das costas dentro de algumas décadas depende de vários fatores: robustez da tecnologia, energia realmente produzida e custos face às alternativas. Os engenheiros já pensam em combinações, como plataformas comuns com turbinas eólicas ao largo ou sistemas de armazenamento flutuantes.

A experiência de outras áreas mostra como o caminho pode ser longo: os parques eólicos ao largo já foram considerados arriscados e caros, mas hoje fazem parte da paisagem de muitas costas. A energia das ondas ainda está no início desse percurso. Se a abordagem de Iida resultar no mar, isso poderá dar o impulso necessário a uma tecnologia que há anos é apontada como “a próxima grande revolução”, mas que até agora raramente passou de instalações de teste.