Em nossa corrida para nos livrarmos dos combustíveis fósseis, a luz do sol e o vento provaram ser nossa melhor chance de aproveitar a energia renovável e fornecer energia limpa.

A eficiência dos painéis solares aumentou enormemente, permitindo que mais energia seja obtida com menos terra. Com as turbinas eólicas, também foram encontradas grandes melhorias, principalmente pelo fato de se tornarem enormes.

Simplificando, há dois fatores importantes que devem ser levados em conta. O primeiro é a velocidade do vento: o potencial de energia aumenta com o cubo da velocidade do vento, portanto, dobrar a velocidade aumenta a energia em um fator de oito. Em seguida, há o tamanho das pás da turbina, em que o dobro do diâmetro aumenta a potência disponível em um fator de quatro.

A construção de turbinas maiores tira proveito dessas duas circunstâncias. Ao subir mais alto, você geralmente tem acesso a velocidades de vento mais altas e tem mais espaço para construir as enormes pás que aproveitam esses ventos.

Em números, uma turbina eólica de 57 m de altura pode gerar cerca de 1 MW, enquanto uma turbina de 95 m pode gerar 3 MW, de acordo com o Departamento de Energia. Uma turbina de 120 m de altura pode gerar 17 MW.

Esse conceito básico conduziu a direção do setor de turbinas eólicas nas últimas três décadas e meia, observou Shashi Barla, chefe de análise e inteligência da Brinckmann, empresa de consultoria em energia renovável. "Esse tem sido o impulso durante todos esses anos, porque quanto maior a turbina, maior o rendimento energético."

No entanto, há um problema. À medida que se aumenta a potência, as coisas se complicam.

Comecemos com as turbinas eólicas em terra

Em primeiro lugar, há uma questão simples de custo: durante anos, a economia tem sido favorável ao crescimento, mas os projetos atuais estão chegando a um ponto em que o excesso de metal e a infraestrutura para suportar turbinas maiores podem custar mais do que valem. Um estudo de 2022 descobriu que 120 m era a altura ideal para as turbinas modernas, antes que o investimento extra não fizesse sentido.

Além disso, há o desafio básico de levar as peças componentes da fábrica até o local. Uma pá gigante ou torre de turbina simplesmente não pode passar por passagens subterrâneas, pontes e rodovias, colocando um limite fundamental na altura do cubo da turbina - a distância da plataforma da turbina até o rotor de uma turbina eólica instalada.

"O maior desafio é, de longe, a logística", disse Barla. "Em terra, quase atingimos a estagnação. Nos últimos quatro anos, mais ou menos, pela primeira vez no setor eólico, o lançamento de novos produtos de turbinas diminuiu significativamente."

As turbinas terrestres nos EUA chegaram a atingir 94 m, mas teriam dificuldades para alcançar esse valor.

O Escritório de Tecnologias de Energia Eólica do DOE espera ajudar a resolver o problema, trabalhando com as empresas de turbinas para tornar as máquinas mais modulares, e está tentando verificar se é possível construir peças no local - tudo isso enquanto aumenta drasticamente o número de turbinas espalhadas pelo país.

"Quando olhamos para os Estados Unidos, uma das coisas que realmente nos interessa é a implantação de muito mais energia eólica para cumprir as metas de descarbonização do governo Biden-Harris. E, para isso, precisaremos de uma implantação cinco a dez vezes maior do que a atual, ou seja, muito mais turbinas", disse Mike Derby, gerente do programa de turbinas eólicas do DOE.

"Além disso, há também o valor econômico para o país que estamos analisando. Gostaríamos de fabricar essas turbinas localmente nos Estados Unidos, por isso estamos buscando inovações para lâminas maiores e mais longas e como fazer com que essa fabricação volte para o país."

Sucesso em espiral

No início deste ano, um projeto potencialmente transformador começou a tomar forma no Texas.

Em parceria com a GE, a Keystone Tower Systems usou a tecnologia emprestada da fabricação de tubulações para desenvolver uma torre de turbina eólica soldada em espiral. Basicamente, ela pega uma enorme chapa de aço e a enrola em uma torre no local.

Isso resolve o problema de transporte (pelo menos para a torre, não para as pás), permitindo que as turbinas cresçam mais. Quando recebeu um subsídio de US$ 5 milhões do DOE em 2019, a Keystone disse que acreditava que o método permitiria produzir torres com mais de 7 m de diâmetro, possibilitando alturas de cubo de 180 m ou mais.

No final de fevereiro deste ano, a Keystone construiu a primeira dessas torres. Com 89 m de altura, ela já está no limite superior das turbinas terrestres dos EUA. Certificada para uma vida útil de 40 anos, a torre é vista atualmente como uma simples substituta para as torres padrão da GE e apresenta a turbina 2.8-127 da GE.

Mas a esperança é que as futuras torres sejam maiores e, principalmente, mais baratas. Um estudo do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) realizado em 2019 constatou que cerca de metade do custo nivelado de energia (LCoE) de um parque eólico era proveniente do custo da turbina eólica, com cerca de 10,3% dos custos representados pela torre.

Com os projetos tradicionais, quanto mais alta a turbina, mais dinheiro vai proporcionalmente para a torre - o capex de uma torre de 110 m é cerca de 20% do projeto geral. Se acrescentarmos mais 40 m, esse valor sobe para 29%.

Torres cilíndricas rolantes no local poderiam resolver isso, se a Keystone conseguir ampliar seus esforços em todo o país. A empresa afirma que pode construir as torres 10 vezes mais rápido do que uma fábrica tradicional e com 80% menos mão de obra.

Ao lado desse esforço, a GE Renewables está experimentando a impressão 3D para criar bases de torres personalizáveis. O Departamento de Energia (DOE) também lançou o projeto Big Adaptive Rotor (BAR), que explora pás flexíveis que podem atingir 206m de diâmetro e ser mais fáceis de transportar, pois podem dobrar 13° durante a viagem.

Isso aumentaria os fatores de capacidade em 10% ou mais em relação a uma turbina terrestre típica, acredita o DOE, o que equivale a uma única turbina média fornecendo energia para mais 280 residências.

No entanto, a flexibilidade traz seus próprios problemas. Mesmo sem o BAR, à medida que as pás ficam mais longas, tendem a ser mais flexíveis, tornando mais desafiador controlá-las e mitigar as cargas para obter a potência esperada.

Também há escassez de guindastes suficientemente grandes para acompanhar o crescimento das turbinas e acompanhar qualquer aumento de altura. Essa restrição na cadeia de suprimentos ainda não foi resolvida nos Estados Unidos.

No mundo todo, a concessão de licenças é outra questão. "Um grande obstáculo é a concessão de licenças de projetos", disse Barla. "Em um mercado como a França, por exemplo, você pode levar cerca de sete anos para obter a licença de um projeto eólico terrestre. E nesses sete anos, se você observar a tecnologia, as turbinas terão concluído duas revoluções tecnológicas."

No momento em que o projeto obtém uma licença, as turbinas para as quais ele foi projetado podem não mais existir. As empresas podem solicitar uma nova licença para turbinas mais novas, mais altas e mais eficientes, mas isso pode adicionar mais tempo à fase de licenciamento.

"Se eles não quiserem investir mais dois anos nisso, eles restringiriam o tamanho do projeto com base na configuração técnica anterior", o que significa um parque eólico menos rentável, explicou.

A boa notícia é que os governos europeus estão cientes de que essa é uma estratégia altamente falha e prometeram reduzir significativamente os prazos de licenciamento - um pequeno resultado positivo da crise energética causada pela invasão da Ucrânia pela Rússia.

Outra restrição governamental é a altura da ponta, a altura total de uma turbina, incluindo as pás.

A Irlanda espera aumentar significativamente sua dependência de turbinas eólicas, mas o país impôs restrições com base na altura da ponta para proteger as comunidades locais.

No final de 2019, o país ampliou suas normas de ruído de 2006 para determinar que as turbinas eólicas terão que ser recuadas, com pelo menos quatro vezes a altura da ponta entre uma turbina eólica e a moradia mais próxima, e uma distância mínima obrigatória de 500m.

Isso significa que uma turbina eólica de 180m terá que estar a pelo menos 720m da moradia mais próxima. As turbinas também devem ser mantidas afastadas de estradas e ferrovias, por uma distância igual à altura da ponta mais 10%. Essas e outras restrições de altura da ponta significam que as turbinas têm locais limitados ou precisam fazer concessões em relação à altura.

"Devido a essas restrições de altura da ponta, você não poderá implantar as tecnologias de última geração nesses mercados", disse Barla. "E, como consequência, sua capacidade de reduzir os custos também será limitada."

O mar aberto

As coisas ficam um pouco mais fáceis no mar. Ninguém mora nas proximidades e você não precisa passar por uma passagem superior para entregar a turbina. Isso permitiu um rápido crescimento das turbinas eólicas offshore.

"A altura das turbinas eólicas offshore é bastante maior do que as terrestres", explicou Nathan McKenzie, gerente de tecnologia do DOE para pesquisa e desenvolvimento de energia eólica offshore.

O próximo passo na energia eólica offshore é implantar turbinas com capacidade de 15MW. Para comparação, o tamanho médio das turbinas offshore instaladas em 2020 foi de cerca de 8MW, o que está além dos limites práticos para a maioria das turbinas terrestres.

Com esse e outros avanços, a consultoria McKinsey acredita que o custo nivelado da eletricidade gerada por vento possa cair de cerca de €150 ($159) por megawatt-hora (MWh) em 2015 para menos de €50 ($53) por MWh por volta de 2024, uma melhoria significativa.

Ao mesmo tempo, a empresa observa que a capacidade global instalada de energia eólica offshore deve crescer de 40GW em 2020 para 630GW até 2050.

Mas, assim como acontece com os guindastes em terra, existem gargalos críticos na construção que podem frustrar um rápido desenvolvimento. "A instalação de parques eólicos offshore depende de embarcações de instalação de turbinas eólicas (WIV, na sigla em inglês), que ancoram no leito marinho, mas não há muitas dessas embarcações no mundo", disse McKenzie, do DOE. "Atualmente, existem 16 embarcações de instalação de turbinas eólicas ativas na Europa e apenas duas podem lidar com turbinas de 15MW."

Novamente, existem aqueles que esperam inovar para resolver o problema. A Maersk Supply Service projetou uma nova WIV que ficaria permanentemente estacionada em um parque eólico para realizar instalações sucessivas.

Construída pela SembCorp Marine, a WIV deve ser entregue às águas dos Estados Unidos em 2025 pela Kirby Offshore Wind. Os parceiros esperam que o novo design possa reduzir os custos de instalação em 30% e aumentar o suprimento de WIVs.

A nova embarcação será usada pela Equinor e pela bp para a instalação dos parques eólicos offshore Empire 1 (816MW) e 2 (1.260MW) e Beacon Wind (1,2GW) nos Estados Unidos.

Se esses problemas na cadeia de suprimentos forem resolvidos, outros problemas podem surgir em condições de ventos fortes. O problema é que não sabemos exatamente quais são eles.

"Precisamos realizar campanhas de avaliação de recursos eólicos que alcancem alturas mais elevadas na atmosfera, para sabermos exatamente no que estamos colocando as turbinas", disse McKenzie.

"Acabamos de reposicionar uma boia ao largo do Havaí e temos o Projeto de Melhoria das Previsões de Vento, tudo com o objetivo de melhorar nosso entendimento do que exatamente acontece nos céus."

"Como as pás eólicas offshore têm mais de 100 metros de tamanho, começamos a lidar com fenômenos aerodinâmicos que não vemos em escalas menores", acrescentou McKenzie. "Portanto, estamos focados em entender esses regimes aerodinâmicos específicos".

Os dados serão de grande ajuda, assim como os computadores. "Com turbinas de maior capacidade, é preciso testá-las completamente antes de levá-las ao mar", disse McKenzie."Vemos um enorme benefício em aumentar nossa capacidade de testar numericamente, com melhores modelos de mesa que possam analisar completamente essas turbinas antes de levá-las ao mar."

Mesmo com esses avanços e um esforço concentrado, é possível que as alturas cada vez maiores das turbinas eólicas comecem a diminuir, tanto no mar quanto em terra.

Isso pode não ser necessariamente algo ruim.

"Nos últimos três anos e meio, a evolução principal foi aumentar o tamanho", disse Barla. "Há uma infinidade de inovações acontecendo dentro das turbinas, mas esse tem sido o foco durante todos esses anos."

Com turbinas maiores deixando de ser uma vitória fácil e confiável, Barla espera que vejamos uma série de inovações em várias outras áreas.

"Há cerca de seis anos, a Vestas desenvolveu uma tecnologia de rotor múltiplo, que é, de longe, uma das maiores inovações do mercado", disse ele. Na época, não conseguiu obter tração, mas agora a China (que, vale ressaltar, foi capaz de construir turbinas maiores em terra e no mar do que em qualquer outro lugar) começou a tentar replicar a tecnologia.

A empresa chinesa Mingyang oferece a maior turbina eólica em terra do mundo, com 8,5MW (em breve será superada por um sistema de 10MW do concorrente local Envision Energy). Mas agora eles estão experimentando um design de rotor duplo, disse Barla. Eles também estão estudando máquinas com orientação para sotavento, em que o rotor é colocado no lado de sotavento da torre.

Na Europa, outra fronteira é o que fazer com toda essa eletricidade gerada a quilômetros de distância da costa, possivelmente em momentos de baixa demanda.

Em vez de transmitir a energia para terra através de cabos potencialmente ineficientes e caros, as empresas estão investigando a conversão em outras formas no local, no mar. A Siemens está testando a integração de eletrólise de hidrogênio em turbinas eólicas offshore.

Enquanto isso, a Vestas está estudando a instalação de eletrolisadores em terra. Ambas as propostas podem ser fundamentais no desenvolvimento do hidrogênio verde.

"Essas são as inovações que estão surgindo além do simples aumento do tamanho", disse Barla.