Nesta série de quatro artigos no blogue, iremos discutir a vida sustentável e como será possível poupar mais energia no futuro graças aos novos métodos de geração de energia, às novas tecnologias de materiais e às mais recentes técnicas de design.

O impulso para que as energias renováveis ​​alcancem a produtividade e a eficiência

Como alcançar a procura de sustentabilidade real:
A electrificação é um elemento essencial para o objectivo global de abandonar os combustíveis fósseis em actividades como o aquecimento e os transportes; além disso, prevê-se que este último aumente a procura de electricidade nos próximos anos. O sector da energia eléctrica está a tentar eliminar gradualmente as centrais termoeléctricas convencionais alimentadas a combustíveis fósseis e substituí-las por geradores de energia renovável, tipicamente parques eólicos ou solares. A energia das ondas (Figura 1) pode acrescentar capacidade à matriz energética, embora seja necessária mais investigação para determinar o seu efeito no fluxo das marés.

As fontes de energia ambiental são menos previsíveis do que as derivadas de combustíveis fósseis. Para alcançar a verdadeira sustentabilidade, a energia deve ser extraída de forma mais eficiente e as ineficiências na conversão e transmissão devem ser minimizadas.

Produção Eficiente:
Alguns estudos com o objetivo de aumentar a eficiência das células fotovoltaicas incluíram a utilização de materiais avançados, como o arseneto de gálio (GaAs), e estruturas eficientes, como as células de múltiplas junções. As estruturas de múltiplas junções aumentam a eficiência porque captam energia de uma maior proporção de fotões absorvidos, incluindo fotões de baixa energia que as estruturas de junção única não conseguem utilizar. São compostas por camadas de células de junção única, cada uma com uma banda proibida distinta. Estas células são empilhadas por ordem decrescente de acordo com esta banda proibida, de modo a que os fotões de baixa energia criem pares eletrão-buraco nas células dos níveis inferiores.

De acordo com o gráfico de eficiência das melhores células de investigação, publicado pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA (NREL), a célula fotovoltaica mais eficiente atualmente disponível é uma célula concentradora de quatro junções que atingiu 47,3% de eficiência em junho de 2022. Este nível é 20% superior ao das células de silício cristalino e de junção única normalmente utilizadas em painéis fotovoltaicos.

A diferença entre as células disponíveis comercialmente e as utilizadas em investigação realça o potencial de melhoria da tecnologia solar, mas também sublinha a importância do custo. As tecnologias de células fotovoltaicas mais recentes e complexas precisam de oferecer um preço competitivo por watt para atrair a adoção pela indústria.

Em termos gerais, todas as etapas de conversão solar necessitam de melhorar a eficiência, incluindo a conversão CC-CC, os inversores CC-CA e até mesmo as interligações elétricas (Figura 2). Estas interligações devem ser robustas, capazes de suportar condições climáticas e de manuseamento exigentes, como a corrosão, sem apresentar um aumento excessivo da resistência óhmica.

Imagem: As interligações nos conversores solares, como os conectores SOLARLOK 2.0 da TE Connectivity (TE), devem ser robustas para garantir a durabilidade e evitar a deterioração que possa reduzir a geração de energia (fonte: TE Connectivity)

Se as células disponíveis comercialmente atingirem uma eficiência superior a 40%, alcançarão a máxima eficiência teórica das turbinas eólicas (Figura 3). De acordo com a lei de Betz, este nível máximo é de 59,3%, embora alguns defendam que este valor deva ser interpretado como um coeficiente de energia, e não de eficiência. No entanto, a investigação de Betz e trabalhos semelhantes foram realizados antes de 1920. A investigação do século XXI, que considerou fatores como o fluxo de ar e a distribuição de pressão e aplicou a dinâmica de fluidos computacional, sugere um limite entre 30% e 59,3% (excluindo outros mecanismos de perda, como a fricção nos rolamentos).

Imagem: O limite de Betz descreve a proporção máxima que pode ser obtida a partir da energia eólica (fonte: Mouser Electronics)

Claramente, o aumento da capacidade instalada total irá gerar mais eletricidade, dado que podemos aproveitar o vento e a luz solar de praticamente qualquer lugar. No Reino Unido, as turbinas eólicas ganharam destaque recentemente, fornecendo um recorde de 21,6 GW e satisfazendo mais de 50% da procura energética noturna do país.

Conversão Eficiente:
A potência gerada pelas turbinas eólicas e pelas células solares não é muito elevada, pelo que a minimização das perdas de energia nos sistemas de condicionamento associados é crucial. Uma técnica comum é aumentar a tensão do barramento principal (por exemplo, de 1000 para 1500 V), o que oferece diversas vantagens: permite a utilização de strings maiores de painéis solares, reduzindo o número de caixas de derivação e de cablagem; nos geradores solares e eólicos, a mudança para tensões de barramento mais elevadas ajuda a reduzir as perdas por resistência (I²R).
As tecnologias de semicondutores de banda larga, como o carboneto de silício (SiC), são importantes para implementar estas melhorias. Os MOSFET de SiC podem ter uma tensão de rutura muito maior em relação ao seu tamanho físico, quando comparados com os dispositivos de silício convencionais. Além disso, o desempenho de comutação superior do SiC significa que podem ser utilizados componentes passivos mais pequenos para estabilizar o fluxo de energia dentro do sistema. Isto ajuda a reduzir os custos, a minimizar o tamanho do circuito e a diminuir as perdas devido a efeitos parasitas dos componentes, como resistências óhmicas indesejadas.

Ao adotarmos topologias de conversão mais eficientes, temos mais opções de melhoria. A retificação síncrona aumenta a eficiência da fonte de alimentação ao eliminar as perdas associadas ao díodo de polarização direta; em vez disso, é utilizado um MOSFET com características semelhantes, mas com perdas RDS(on) muito mais baixas.
Por outro lado, o uso de topologias de comutação ressonante está a tornar-se cada vez mais comum. Além de eliminar as perdas associadas aos circuitos de comutação forçada convencionais, a comutação ressonante também melhora a fiabilidade. A potencial poupança na manutenção e substituição de equipamentos contribui para a redução do custo total por watt de energia verde.

A competição acelera o progresso.
Alcançar uma fonte de eletricidade sustentável e acessível é um imperativo global. No entanto, a competição fomenta a inovação, e foi exatamente isso que aconteceu entre 2014 e 2016, quando a Google lançou o seu Desafio Little Box, com o objetivo de reduzir um inversor de potência de 2 kW em 90%, do tamanho de uma caixa térmica de piquenique para o de um computador portátil. Ter inversores tão pequenos abre caminho a diversas melhorias, como micro-redes e energia fotovoltaica acessível e pronta para o consumidor. O desafio da Google exigia um tamanho máximo de 40 polegadas cúbicas e uma eficiência superior a 95%. Algumas equipas atingiram o objetivo, e aquela que obteve os melhores resultados, como uma densidade de potência de 145 watts por centímetro cúbico, recebeu um prémio de 1 milhão de dólares. Será agora o momento de lançar outro desafio semelhante para alcançar novos avanços?

Conclusão: Não estamos assim tão longe.
O efeito cumulativo de todas estas melhorias — maior eficiência fotovoltaica, topologias avançadas de conversão de energia e semicondutores de banda larga com tensões de barramento mais elevadas e maior densidade de potência — está a aumentar significativamente a produção global de energia ambiente. De acordo com o Fórum Económico Mundial, a energia renovável poderá satisfazer todas as nossas necessidades até 2050, embora esta previsão esteja sujeita a muitas condições, tais como a cooperação inter-regional e as interligações de rede. Para chegarmos a este ponto partindo de onde estamos agora e superarmos todos os desafios práticos e relacionados com o clima, precisaremos de continuar a desenvolver tecnologias para melhorar a produtividade, a eficiência e a acessibilidade.

Armazenamento ligado: um pilar da rede verde

Quando pensamos numa rede elétrica alimentada por energia renovável, provavelmente vem-nos à mente um parque eólico (imagem 1) e uma central solar. Nestes casos, ao contrário das centrais convencionais, a disponibilidade de energia não pode ser controlada ou prevista. Para gerir a incerteza relacionada com quando e quanta eletricidade estará disponível, é necessário armazenamento de energia ligado à rede para equilibrar os fatores temporais e quantitativos da oferta e da procura. Este armazenamento deve ser capaz de reter o excesso de energia quando as condições são favoráveis, bem como de suprir a falta durante condições menos ideais, especialmente à noite, quando não há energia solar. Deve ser capaz de lidar com períodos curtos de pico de procura e cargas elevadas, como carregadores rápidos para veículos elétricos. Para corresponder às expectativas dos consumidores, este armazenamento massivo ligado à rede deve ser instalado nas centrais geradoras e noutros pontos da infraestrutura.

Imagem: O armazenamento de energia com um volume adequado para fornecimento público necessitará de incluir instalações de baterias nas centrais geradoras (fonte: Mouser Electronics)

Por outro lado, encontramos aquilo a que poderíamos chamar "prosumidores" (uma combinação de produtor e consumidor), que possuem geradores privados para cargas locais e que injectam o excedente na rede; estes também necessitam de armazenamento nas suas próprias instalações ou residências para equilibrar a oferta e a procura disponíveis.

Localização, tamanho e tecnologia:
Para ser eficaz, o armazenamento ligado à rede deve oferecer uma grande capacidade; deve também ser fiável, acessível e ter um ciclo de vida longo. O planeamento de armazenamento ligado à rede é uma disciplina relativamente nova. A determinação da localização e do tamanho para obter um armazenamento adequado nos locais certos dependerá dos padrões de procura, das cargas próximas e do desempenho da bateria (Figura 2). A avaliação da capacidade cúbica de carga efetiva (ELCC) tem sido proposta como um método útil para calcular o nível de armazenamento que uma determinada rede irá necessitar.

Imagem: O armazenamento de energia em baterias será ligado a vários locais em toda a rede (fonte: Mouser Electronics)

Em termos de desempenho das baterias, a investigação de ponta identificou melhorias nos materiais, na estrutura e no design de componentes internos, como os elétrodos. Exemplo disso é o aparecimento de baterias de lítio-enxofre de alta capacidade, que aproveitam a abundância de enxofre para compensar a procura global de lítio. Estas baterias prometem um maior armazenamento de energia do que as baterias tradicionais de iões de lítio (Li-ion).

As nanotecnologias também podem ajudar a resolver problemas de armazenamento de energia. Os investigadores demonstraram que os nanotubos de carbono podem impedir o crescimento de dendrites — filamentos condutores indesejados que se formam no interior da bateria e provocam curto-circuitos, levando, em última análise, à falha — e, assim, melhorar a fiabilidade e a vida útil.

A tecnologia de baterias de estado sólido oferece uma maior densidade de energia do que as baterias de iões de lítio e aumenta a segurança ao eliminar os eletrólitos líquidos. Embora o seu desenvolvimento tenha sido dificultado pela sua durabilidade limitada, a investigação recente sobre elétrodos construídos a partir de uma combinação de titanato de lítio e dióxido de vanádio de lítio pode oferecer uma solução para expandir a utilização comercial de baterias de estado sólido.

Os prosumidores utilizam geralmente baterias de iões de lítio ou de chumbo-ácido para armazenamento de energia nas suas residências. A tecnologia das baterias de chumbo-ácido é comprovada e fiável, mas não é tão compacta ou leve como as baterias de iões de lítio e requer mais manutenção. No entanto, são mais acessíveis, pelo que continuarão a ser uma escolha popular para instalações residenciais de prosumidores. Para além do factor económico, a facilidade de utilização também desempenha um papel importante para incentivar os proprietários a apoiar a rede de energia limpa.

Os "prosumidores" precisam de ter a certeza de que o seu investimento será suficientemente rentável sem que tenham de se tornar especialistas em energia ou de gastar inúmeras horas a gerir a sua própria central geradora. Um software de gestão de sistemas sofisticado, mas intuitivo, é essencial para garantir que a habitação utiliza sempre a fonte de energia mais económica, além de assegurar fiabilidade e estabilidade. Por exemplo, o microgerador local pode ser utilizado para carregar o banco de baterias, alimentar os equipamentos da residência ou injetar energia de volta na rede, de forma a que a energia seja consumida da rede apenas quando necessário. Idealmente, tudo isto ocorreria com a melhor tarifa possível.
Armazenamento para Sistemas Integrados:
Se queremos que a eletrificação contribua para a sustentabilidade, é necessário um melhor armazenamento em todo o lado, desde o fornecimento de energia elétrica até às placas de circuito impresso, como pontos de ligação ou gateways IoT. As pequenas baterias de estado sólido, fabricadas com processos de película fina, prometem uma maior densidade de energia e fiabilidade do que as tecnologias tradicionais de iões de lítio. Outro factor importante é a capacidade de reciclagem, de forma a reduzir a procura dos recursos minerais do nosso planeta e melhorar o nosso futuro.

Conclusão:
Precisaremos de grandes quantidades de armazenamento de energia em baterias para garantir a estabilidade e a disponibilidade energética, satisfazer as exigências da vida moderna e contribuir para uma rede elétrica verde que possa sustentar a eletrificação. Para alcançar este objetivo, a tecnologia precisa de ser melhorada. Existem muitos projetos de investigação promissores em curso, mas ainda enfrentamos o mesmo obstáculo: a viabilidade de fabrico e o custo da tecnologia de baterias. As tecnologias de baterias para veículos elétricos (VE) podem indicar o caminho a seguir: a sua viabilidade económica para a produção em massa e as exigências de desempenho são talvez superiores às de qualquer outra tecnologia. Se as baterias funcionarem bem num VE, podem funcionar em qualquer lugar; na verdade, as baterias usadas de VE parecem ser uma solução eficaz e económica para aplicações ligadas à rede elétrica. Os softwares de gestão podem ajudar a gerir diferentes fontes de energia e tarifas para alcançar o melhor equilíbrio possível entre valor e estabilidade.

Produza mais, consuma menos

Os engenheiros eletrónicos procuram há muito tempo formas de reduzir o consumo de energia através do design de produtos, muito antes da atual crise climática. Um menor consumo de energia significa menos calor, dissipadores de calor mais pequenos, componentes de alimentação mais pequenos, menos espaço para a bateria e maior duração da bateria. De um modo geral, isto resulta num produto mais atraente e comercializável, com melhor desempenho no mercado em comparação com uma alternativa de design menos sofisticada.

O design melhorado na capacidade nominal da bateria é motivado pelo desejo de ajudar a limpar o planeta, mas é também um argumento de venda muito importante para os consumidores que se preocupam com o ambiente.

É necessário promover a inovação na poupança de energia, desde os circuitos de conversão de energia até aos sistemas integrados que executam a aplicação.

Design de baixo consumo para adaptadores:
Os códigos de ecodesign têm metas de potência e eficiência muito ambiciosas, especialmente para equipamentos como carregadores e adaptadores. Recentemente, os EUA, a UE e a China alargaram os requisitos aplicáveis ​​a este tipo de equipamento. Atualmente, os regulamentos de Nível VI do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e o Regulamento de Ecodesign da UE 2019/1782 impõem requisitos semelhantes para a eficiência média e a potência sem carga. Para satisfazer estes requisitos, os principais distribuidores estão a mudar para a tecnologia de semicondutores de banda larga (Figura 1), particularmente o nitreto de gálio (GaN). Os transístores de GaN são uma opção atraente para os níveis de potência especificados nos códigos de ecodesign, abaixo de 250 W. Algumas das vantagens em comparação com os transístores de silício tradicionais incluem baixas perdas de condução em relação à tensão nominal, baixas perdas de comutação a altas frequências, alta condutividade térmica e fiabilidade a altas temperaturas de funcionamento. Além disso, oferecem uma combinação mais favorável de tensão nominal do dispositivo e RDS(ON) do que os atuais MOSFET de carboneto de silício. Com estes transístores, os designers de fontes de alimentação estão a atingir níveis de eficiência máxima superiores a 96%, tudo isto em unidades mais leves e 30% mais pequenas do que os modelos anteriores com a mesma classificação.

Imagem: Os fabricantes de semicondutores comercializaram tecnologias de banda larga proibida e estão a incentivar a sua utilização com projetos de referência e placas de avaliação (fonte: Texas Instruments)

Economia de energia em computação:
Os microcontroladores integrados (MCUs) têm sido, desde há muito tempo, o núcleo das tecnologias de ultrabaixo consumo e das técnicas de design de componentes destinadas a permitir que os elementos mais pequenos da Internet das Coisas (IoT) tenham um melhor desempenho e operem durante períodos mais longos. Estes fatores tornaram-se essenciais nos últimos anos, com a implementação de um número massivo de sensores e atuadores ligados remotamente para diversas aplicações de controlo e monitorização em edifícios inteligentes, cidades, infraestruturas e fábricas. A substituição destas baterias no terreno é muitas vezes inviável, pelo que a única opção é conceber estes componentes para operar durante toda a sua vida útil com uma pequena bateria ou incorporar os circuitos necessários para obter energia de fontes externas. Trabalhar com uma fonte de energia tão limitada exige uma gestão muito cuidada de todo o orçamento alocado para alimentar o equipamento.

Os fabricantes de processadores e microcontroladores (MCUs) desenvolveram capacidades de poupança de energia para ajudar os designers de aplicações a atingir estas metas de desempenho e consumo de energia. O escalonamento dinâmico de tensão permite que o dispositivo ajuste a sua frequência e tensão de funcionamento para lidar com picos rápidos na procura computacional, mantendo o funcionamento a baixa tensão e frequência, minimizando assim o consumo de energia quando a procura é baixa. Os MCU de ultrabaixo consumo atuais oferecem diversos modos de poupança de energia que proporcionam a flexibilidade de desativar subsistemas e periféricos, interromper relógios desnecessários, manter ou reduzir a utilização dinâmica de memória e otimizar o tempo necessário para retomar o funcionamento após sair de qualquer um destes modos. Graças a esta flexibilidade, uma aplicação de baixo consumo pode ativar rapidamente apenas os subsistemas necessários para uma determinada tarefa, concluir o processamento correspondente a alta velocidade e voltar a colocar o circuito no modo de espera o mais rapidamente possível. Outras inovações, como os aceleradores de acesso à memória para gráficos e execução em tempo real, poupam a energia que é normalmente perdida quando um processo tem de esperar pela conclusão de um ciclo de acesso completo. Existem também modos independentes que permitem que os periféricos funcionem enquanto o núcleo está desligado, bem como temporizadores de baixo consumo de energia, que permitem que algumas tarefas simples continuem a ser executadas enquanto a maioria dos sinais do dispositivo e do relógio estão desligados.

O Efeito da IA:
Por definição, fazer mais trabalho em menos tempo exige mais energia; para inverter esta tendência, precisamos de mudar a forma como realizamos este trabalho. A inteligência artificial (IA) está na vanguarda neste sentido, lidando com tarefas como a análise de padrões para reconhecimento de imagens e deteção de anomalias de forma mais eficiente do que as técnicas de computação convencionais. Os fornecedores de microcontroladores (MCUs) estão a ajudar os programadores a utilizar pequenas redes neuronais e outras estruturas de aprendizagem automática (como árvores de decisão) em sistemas profundamente embebidos, visando fornecer recursos avançados e consciência contextual com níveis de consumo de energia extremamente baixos, muitas vezes com resposta em tempo real. Isto deu origem a um novo ramo do design embebido: a aprendizagem automática em pequena escala, que utiliza estruturas leves como o TensorFlow Lite e o TinyML. Estruturas semelhantes estão a ser integradas em dispositivos como sensores inerciais para que possam executar tarefas como reconhecimento básico de atividades de forma independente, permitindo que o sistema permaneça offline e poupe energia.

Em conclusão
, a eletrificação, aliada ao desejo humano natural de criar máquinas melhores — máquinas que possam fazer mais, mais rápido — está a aumentar a procura de eletricidade para os eletrodomésticos e para carregar as baterias dos dispositivos móveis ou sem fios. A conceção de sistemas de ultrabaixo consumo de energia pode impulsionar a próxima geração de máquinas e dispositivos com um maior controlo sobre as nossas vidas e o nosso ambiente; no entanto, este projeto também deve encontrar o equilíbrio certo entre desempenho e consumo de energia.

Autor: Mark Patrick

Distribuidor autorizado
da Mouser Electronics
www.mouser.com