Na recente Conferência de Tecnologia de Engenharia de Energia Eólica Offshore da China, o gerente geral da linha de produtos offshore proferiu um discurso de abertura. Ele enfatizou que os principais gargalos atuais nas turbinas eólicas offshore da China estão nas pás e nos rolamentos principais. Dada a alta demanda por turbinas eólicas offshore, é crucial que os fabricantes se concentrem em fornecer soluções que garantam o retorno do investimento com base nas cadeias de suprimentos disponíveis, apoiando assim o desenvolvimento sustentável da energia eólica offshore na China.

Jornada de Desenvolvimento das Pás de Turbinas Eólicas

A evolução das pás de turbinas eólicas na Europa e na China foi analisada. Entre 1991 e 2015, a China ficou para trás em termos de potência das turbinas e tamanho das pás. No entanto, em 2017, a China desenvolveu uma turbina eólica com 171 metros de diâmetro, superando os 164 metros da Europa. Em 2019, tanto a Europa quanto os EUA introduziram turbinas ainda maiores, com 220 metros de diâmetro. Essa paridade no tamanho das turbinas indica que a China e a Europa estão agora em um nível semelhante no desenvolvimento de turbinas eólicas offshore.

Desafios e inovações na energia eólica

Segundo uma renomada revista científica internacional, à medida que as turbinas eólicas offshore aumentam de tamanho, o setor de energia eólica enfrenta desafios significativos em aerodinâmica, dinâmica estrutural e hidrodinâmica. A pesquisa nessas áreas científicas fundamentais não acompanhou o crescimento do diâmetro das turbinas. Ao contrário da indústria da aviação, que não viu a envergadura das asas das aeronaves ultrapassar os 80 metros mesmo após um século, a indústria de energia eólica, em menos de quatro décadas, atingiu diâmetros de turbina de 200 metros.

Foi destacada a importância do progresso gradual na engenharia e nos avanços tecnológicos. O aumento do comprimento das pás exige avanços significativos em materiais e tecnologias de fabricação. Depender exclusivamente das tecnologias existentes para aumentar o tamanho das pás é insuficiente para sustentar o desenvolvimento da energia eólica offshore.

A necessidade de materiais de véu de fibra de carbono

Para suportar pás offshore mais longas, a indústria precisa se aventurar no território inexplorado dos materiais de fibra de carbono. Essa transição reflete a situação de uma década atrás, quando a China precisava licenciar projetos de pás de empresas europeias, com materiais e equipamentos principais provenientes de empresas alemãs ou japonesas. Grandes investimentos em moldes, longos prazos e tecnologias de processo imaturas complicam ainda mais o desenvolvimento, tornando a eficiência de processamento de pás superdimensionadas significativamente menor do que a de pás convencionais, de 3 a 4 vezes. Isso representa um grande obstáculo para garantir a viabilidade de projetos nos atuais cenários de instalação de energia eólica offshore em larga escala na China. A fibra de carbono é essencial para a próxima geração de turbinas eólicas, atendendo à necessidade de resistência e leveza.

Desafios na cadeia de suprimentos de mancais principais

O rolamento principal é outro gargalo, decorrente de desafios de projeto, problemas na cadeia de suprimentos e complexidades de instalação. Especificamente, a cadeia de suprimentos para rolamentos principais de grandes turbinas offshore enfrenta três desafios principais:

1. O diâmetro do anel do rolamento principal muitas vezes ultrapassa 2 metros, excedendo a capacidade da maioria das máquinas-ferramenta disponíveis.

2. Existem apenas dois fornecedores principais, que exigem reservas de capacidade com pelo menos um ano de antecedência.

3. Os fornecedores nacionais atualmente não possuem as capacidades de projeto e processamento necessárias para rolamentos tão grandes.

   
   

Soluções e inovações em tecnologia de rolamentos

A adoção da tecnologia de mancais de rolamento duplo (SRB) para configurações de mancais principais garante suporte para turbinas de 5 a 6 MW com diâmetro de até 1,5 metros. Essa solução, respaldada por uma robusta cadeia de suprimentos global, permite o envolvimento de fornecedores locais no projeto e na produção. Em contrapartida, tecnologias que exigem diâmetros maiores, como os mancais de rolamento duplo (TRB) e os mancais de rolamento duplo com rolamento duplo (DRTRB), enfrentam desafios significativos em termos de capacidade e eficiência.

Otimizando o desempenho de turbinas eólicas offshore

Apesar dos desafios, a empresa mantém a confiança em fornecer soluções de energia eólica offshore que gerem retornos de investimento positivos. Foi criado um mapa abrangente do custo nivelado de energia (LCOE) para parques eólicos offshore na China, orientando a definição das turbinas e ajudando os desenvolvedores a identificar projetos rentáveis. O foco não está na capacidade da turbina, mas no LCOE, sendo a geração de energia o fator mais crítico.

Análise de Sensibilidade de Adaptações Regionais e LCOE

Diferentes regiões exigem combinações variadas de potência da turbina e diâmetro do rotor para otimizar o LCOE (Custo Nivelado de Energia). A empresa realizou análises de sensibilidade do LCOE para áreas de ventos fortes, como Fujian, áreas de ventos fracos, como Guangxi, e áreas de ventos médios a baixos, como Zhejiang. Os resultados indicam que turbinas de 6 a 8 MW são ideais para cenários de ventos fortes, enquanto turbinas de 4 a 6 MW são mais adequadas para cenários de ventos baixos a médios. Velocidades de vento mais baixas exigem diâmetros de rotor maiores e vice-versa. O uso de véu de fibra de carbono nessas turbinas é crucial para alcançar o desempenho e a eficiência desejados.

Abordando as perdas por esteira em parques eólicos offshore

Os parques eólicos offshore da China enfrentam maiores perdas por esteira do que seus equivalentes europeus devido a layouts mais densos, velocidades de vento mais baixas e atmosferas mais estáveis. Uma avaliação de quase 1,5 GW de capacidade instalada em turbinas offshore revelou que as estimativas iniciais de perdas por esteira estavam cerca de 2% abaixo do valor real. Os esforços para reduzir as perdas por esteira por meio da tecnologia de controle de esteira em grupo resultaram em um aumento de 3 a 4% na geração de energia. À medida que os layouts dos parques eólicos offshore se tornam mais densos, o valor da tecnologia de controle de esteira em grupo se torna cada vez mais significativo. A implementação de véus de fibra de carbono no projeto das pás não apenas aprimora o desempenho, mas também mitiga o impacto das perdas por esteira.