Flywheels - Disco Rotativos de Inércia

Novas tecnologias em armazenamento de energia são cada vez mais importantes devido ao fato de que duas das principais fontes de energia renováveis (solar e eólica) são intermitentes e imprevisíveis. Com isso, um sistema de armazenamento é necessário para que as cargas da rede estejam sempre sendo abastecidas. O conceito de uma dessas tecnologias já foi idealizado há bastante tempo, desde que o homem inventou a roda e formalizou o princípio da inércia [1]. Esta tecnologia é conhecida como Flywheel ou Disco Rotativo de Inércia.

Na essência, um flywheel é uma bateria mecânica que funciona a partir de um disco de energia que gira em torno de um eixo e armazena energia na forma cinética. Esta energia alimenta um gerador que faz com que essa energia cinética seja transformada em energia elétrica. Um dos grandes problemas deste sistema é o atrito deste disco com o ar, fazendo com que a velocidade do mesmo seja diminuída. Por isso, são construídas bombas de vácuo para que este atrito seja eliminado. Uma caixa de alumínio envolve todo este sistema que pode alcançar uma velocidade que, dependendo da dimensão do sistema, pode atingir até 60.000 rpm (rotações por minuto) [2]. Além disso, há um sistema magnético dentro desta caixa permitindo que o disco esteja sempre em levitação magnética.

Representação da construção de um flywheel

Ao observar a equação da Energia Cinética Ec= Iw²/2, onde w = Velocidade Angular, I= Momento de Inércia e Ec = Energia Cinética é possível concluir que a velocidade angular aumenta significativamente a energia do sistema por estar elevada ao quadrado e esta é a premissa principal deste tipo de tecnologia [3].

Um dos maiores problemas deste tipo de tecnologia é fazer com que a construção suporte eventuais choques e esforços mecânicos devido a deslocações no espaço. Um outro problema é a massa destes sistemas de armazenamento que em média podem ter 50kg [2]. Devido a isto, estão sendo desenvolvidos novos tipos de construção de flywheels que são menores e mais leves sendo construídos com fibra de carbono e ocupando um espaço menor, apresentando o benefício de serem mais compactos.

Em geral, esses sistemas conseguem prover uma carga na faixa de 100 KW até 2MW com um tempo de descarregamento rápido que vai de 12 a 60 segundos [6] e um tempo de carregamento que varia de 10 a 20 minutos [2], sendo bastante utilizados em veículos elétricos por exemplo. Eles podem armazenar mais energia que uma bateria elétrica em comparação com o peso de cada tecnologia. Além disso, possuem muita eficiência com uma perda relativamente baixa, por volta de 5% a 10% [1].

          

A seguir, serão apresentadas duas aplicações que envolvem o uso de flywheels.

           
1- Esta tecnologia foi originalmente desenvolvida pela NASA [4] para armazenar energia no espaço como por exemplo em satélites e em instalações lunares.

Modelo de um disco rotativo desenvolvido pela NASA

 2- Em 2009 foi utilizado pela primeira vez o sistema de Kinect Energy Recovery System (KERS) na Fórmula 1. Ao acelerar, o sistema libera energia para o carro que obtém uma maior aceleração durante o tempo que é acionado. Ao frear, o sistema armazena a energia que seria perdida nos freios em forma de calor, fazendo com que esta energia flua para o disco rotativo [5].

       
Alguns outros exemplos de aplicações podem ser citados como o armazenamento de energia para redes elétricas, armazenamento de energia para veículos elétricos e o melhoramento da qualidade de energia. A vida útil destes sistemas é praticamente independente da profundidade de descarga além de não serem termicamente sensíveis devido ao fato de trabalharem no vácuo. Outros tipos de benefícios também podem se destacados como o fato de não emitir gases poluentes, a longa vida útil e o baixo custo em manutenção destes equipamentos [6].

Referências

[1] Flywheel: tecnologia do passado para os carros do futuro. Disponível em: <https://www.tecmundo.com.br/carro/26228-flywheel-tecnologia-do-passado-para-os-carros-do-futuro.htm>. Acesso em 31 de Agosto de 2019.

[2] Flywheel - " A Bateria Electromecânica". Disponível em: <http://www.ipv.pt/millenium/arq8_fly.htm>.  Acesso em: 31 de Agosto de 2019.

[3] M. Thomas, D. Nishanth, "Flywheel Based Kinetic Energy Recorevy Systems (KERS) Integrated in Vehicles" - International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST) - Vol. 5 No.09 Sep 2013, p. 1694-1699.

[4] NASA Flywheel Program. Disponível em <https://www.grc.nasa.gov/WWW/portal/pdf/flywheel.pdf>.  Acesso em: 31 de Agosto de 2019.

[5] F1 KERS system 2009. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=xAvexjr2ax0>. Acesso em 31 de Agosto de 2019.

[6] Flywheel Energy Storage - How Does it Work?. Disponível em: <https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=17336>. Acesso em: 31 de Agosto de 2019.