Armazenamento de energia de ar comprimido fora da rede ar comprimido DIY

Armazenamento de energia com ar comprimido fora da rede de ar comprimido DIY

(DIY) é a sigla da expressão em inglês Do It Yourself, que significa

Saindo da rede?

Pense duas vezes antes de investir em um sistema de bateria.

O armazenamento de energia de ar comprimido é a alternativa sustentável e resiliente

às baterias, com uma expectativa de vida muito mais longa, menores custos de ciclo de vida, simplicidade técnica e baixa manutenção. Projetar um sistema de armazenamento de energia de ar comprimido que combina alta eficiência com pequeno tamanho de armazenamento não é autoexplicativo, mas um número crescente de pesquisadores mostra que isso pode ser feito.

O armazenamento de energia por ar comprimido (CAES) é geralmente considerado como uma forma de armazenamento de energia em grande escala, comparável a uma usina hidrelétrica bombeada. Essa planta CAES comprime o ar e o armazena em uma caverna subterrânea, recuperando a energia expandindo (ou descomprimindo) o ar através de uma turbina, que opera um gerador.

(CAES) Armazenamento de energia em ar comprimido.
O armazenamento de energia em ar comprimido (ou CAES, do inglês Compressed Air Energy Storage) é um método de armazenamento de energia gerada em um determinado período para uso posterior.

Infelizmente, as plantas CAES de larga escala são muito ineficientes em termos energéticos.

A compactação e a descompressão do ar introduzem perdas de energia, resultando em uma eficiência elétrica-elétrica de apenas 40 a 52%, em comparação com 70 a 85% para usinas hidrelétricas e 70 a 90% para baterias químicas.

A baixa eficiência é principalmente porque o ar aquece durante a compressão.

Este calor residual, que detém uma grande parte do consumo de energia, é despejado na atmosfera.

Um problema relacionado é que o ar esfria quando é descomprimido, diminuindo a produção de eletricidade e possivelmente congelando o vapor de água no ar.

Para evitar isso, as usinas de CAES de grande escala aquecem o ar antes da expansão usando combustível de gás natural, o que deteriora ainda mais a eficiência do sistema e torna o armazenamento de energia renovável dependente de combustíveis fósseis.

Por que CAES de pequena escala?

No artigo anterior, delineamos várias ideias - inspiradas em sistemas históricos - que poderiam melhorar a eficiência de plantas CAES de larga escala.

Neste artigo, nos concentramos no pequeno mas crescente número de engenheiros e pesquisadores que pensam que o futuro não está no armazenamento de energia de ar comprimido em grande escala, mas sim em sistemas de micro ou pequena escala, usando vasos de armazenamento acima do solo ao em vez de reservatórios subterrâneos.

Esses sistemas podem estar conectados à rede ou à rede, operando sozinhos ou ao lado de um sistema de bateria.

A principal razão para investigar o armazenamento descentralizado de energia de ar comprimido é o simples fato de que tal sistema poderia ser instalado em qualquer lugar, assim como as baterias químicas.

CAES de grande escala, por outro lado, depende de uma geologia subterrânea adequada.

Embora existam mais locais potenciais para plantas CAES de larga escala do que para usinas hidrelétricas reversas de larga escala, encontrar cavernas de armazenamento adequadas não é tão fácil quanto se supunha anteriormente.

Configuração experimental do sistema de armazenamento de energia de ar comprimido de pequena escala.

Em comparação com as baterias químicas, os sistemas micro-CAES têm algumas vantagens interessantes. Mais importante ainda, uma rede distribuída de sistemas de armazenamento de energia de ar comprimido seria muito mais sustentável e ambientalmente amigável.

Ao longo de suas vidas, as baterias químicas armazenam apenas de duas a dez vezes a energia necessária para fabricá-las.

Os sistemas CAES de pequena escala se saem muito melhor do que isso, principalmente devido à sua vida útil muito mais longa.

Em comparação com as baterias químicas, uma rede distribuída de sistemas de armazenamento de energia de ar comprimido seria muito mais sustentável e ecologicamente correta.

Além disso, eles não exigem materiais raros ou tóxicos, e o hardware é facilmente reciclável. Além disso, o armazenamento de energia de ar comprimido descentralizado não precisa de linhas de produção de alta tecnologia e pode ser fabricado, instalado e mantido por empresas locais, ao contrário de um sistema de armazenamento de energia baseado em baterias químicas.

Finalmente, o micro-CAES não tem auto-descarga, é tolerante a uma ampla gama de ambientes e promete ser mais barato do que as baterias químicas.

Embora o custo de investimento inicial seja estimado superior ao de um sistema de bateria (cerca de US $ 10.000 para uma configuração residencial típica) e embora o armazenamento acima do solo aumente os custos em comparação com o armazenamento subterrâneo (o depósito é bom para aproximadamente metade do custo de investimento), um sistema de armazenamento de energia de ar comprimido oferece um número quase infinito de ciclos de carga e descarga.

As baterias, por outro lado, precisam ser substituídas a cada poucos anos, o que as torna mais caras a longo prazo.

Desafio: limitar o tamanho do armazenamento

No entanto, o CAES descentralizado também enfrenta desafios importantes. A primeira é a eficiência do sistema, que é um problema em sistemas de grande e pequena escala, e a segunda é o tamanho da embarcação de armazenamento, o que é especialmente problemático para sistemas CAES de pequena escala.

Ambas as questões tornam os sistemas CAES de pequena escala impraticáveis. Espaço suficiente para uma grande embarcação de armazenamento nem sempre está disponível, enquanto uma baixa eficiência de armazenamento requer uma maior usina solar fotovoltaica ou eólica para compensar essa perda, aumentando os custos e diminuindo a sustentabilidade do sistema.

Para piorar a situação, a eficiência do sistema e o tamanho do armazenamento estão inversamente relacionados: a melhoria de um fator é muitas vezes à custa do outro.
O aumento da pressão do ar minimiza o tamanho do armazenamento, mas diminui a eficiência do sistema, enquanto o uso de uma pressão mais baixa torna o sistema mais eficiente no uso de energia, mas resulta em um tamanho de armazenamento maior.

Alguns exemplos ajudam a ilustrar o problema.



Tanques de armazenamento de energia de ar comprimido.
Fonte: Shanghai Honest Compressor Co. LTD.

Uma simulação para um CAES independente destinado a áreas rurais não energizadas, e que é conectado a um sistema fotovoltaico solar e usado somente para iluminação, opera a uma pressão de ar relativamente baixa de 8 bar e obtém uma eficiência de 60% de ida e volta. - Comparável à eficiência das baterias de chumbo-ácido.

No entanto, para armazenar 360 Wh de energia elétrica potencial, o sistema requer um reservatório de armazenamento de 18 m3, o tamanho de uma pequena sala medindo 3x3x2 metros.

Os autores observam que “embora o tamanho do tanque pareça muito grande, ainda faz sentido para aplicações em áreas rurais”.

A incidência do sistema e o tamanho do armazenamento estão inversamente relacionados: a melhoria de um fator é muitas vezes à custa do outro.



Tal sistema pode, de fato, ser benéfico neste contexto, especialmente porque ele tem uma vida útil muito mais longa do que as baterias químicas.

No entanto, uma configuração semelhante em um contexto urbano com alto uso de energia é obviamente problemática. Em outro estudo, calculou-se que seria necessário um tanque de ar de 65 m3 para armazenar 3 kWh de energia. Isto corresponde a um vaso de pressão de 13 metros de comprimento com um diâmetro de 2,5 metros, mostrado abaixo.

Além disso, o consumo médio de eletricidade por dia nos países industrializados é ainda muito maior.

Por exemplo, no Reino Unido, é ligeiramente abaixo de 13 kWh por dia, nos EUA e no Canadá é mais de 30 kWh. Neste último caso, dez desses tanques de pressão de ar seriam necessários para armazenar um dia de uso de eletricidade.

Sistemas CAES de pequena escala com altas pressões dão os resultados opostos.

Por exemplo, uma configuração modelada para um uso elétrico doméstico típico na Europa (6.400 kWh por ano) opera a uma pressão de 200 bar (quase 4 vezes maior que a pressão em usinas CAES de grande escala) e atinge um volume de armazenamento de apenas 0,55 m3, que é comparável a baterias, tanto, a eficiência elétrico-elétrica desta configuração é de apenas 11-17%, dependendo do tamanho do sistema fotovoltaico solar.

Duas estratégias para fazer o trabalho do Micro CAES

Estes exemplos parecem sugerir que o armazenamento de energia de ar comprimido não faz sentido como um sistema de armazenamento de energia de pequena escala, mesmo com uma redução na demanda de energia.

No entanto, talvez surpreendentemente para muitos, este não é o caso.

Os sistemas CAES de pequena escala não podem seguir a mesma abordagem que os sistemas CAES de larga escala, que aumentam a capacidade de armazenamento e a eficiência geral usando a compressão de múltiplos estágios com intercooling e expansão de múltiplos estágios com reaquecimento.

Esse método envolve componentes adicionais e aumenta a complexidade e o custo, o que é impraticável para sistemas de pequena escala.

O mesmo vale para processos “adiabáticos” (AA-CAES), que visam usar o calor de compressão para reaquecer o ar em expansão, e quais são os principais focos de pesquisa para as CAES de grande escala. Para um sistema micro-CAES, é muito importante simplificar a estrutura o máximo possível.

Isso nos deixa com duas estratégias de baixa tecnologia que podem ser seguidas para alcançar capacidade de armazenamento e eficiência energética semelhantes às das baterias de chumbo-ácido.

Primeiro, podemos projetar sistemas de baixa pressão que minimizem as diferenças de temperatura durante a compressão e a expansão. Segundo, podemos projetar sistemas de alta pressão nos quais o calor e o frio da compressão e expansão são usados para aplicações domésticas.

Pequena escala, alta pressão

Sistemas de armazenamento de energia de ar comprimido em pequena escala com altas pressões de ar transformam a ineficiência de compressão e expansão em uma vantagem.

Enquanto o AA-CAES de grande escala visa recuperar o calor de compressão com o objetivo de maximizar a produção de eletricidade, esses sistemas de pequena escala aproveitam as diferenças de temperatura para permitir a tri geração de energia elétrica, de aquecimento e de resfriamento.

O calor dissipado de compressão é usado para aquecimento residencial e produção de água quente, enquanto o ar frio em expansão é usado para refrigeração e refrigeração de espaços. Baterias químicas não podem fazer isso.

Os sistemas de alta pressão em pequena escala usam o calor dissipado de compressão para aquecimento residencial e produção de água quente, enquanto o ar frio em expansão é usado para refrigeração e refrigeração de espaços.

Nestes sistemas, a eficiência elétrico-elétrica é muito baixa.

No entanto, existem agora várias eficiências a serem definidas, porque o sistema também fornece calor e frio. 

Além disso, essa abordagem pode tornar desnecessários vários aparelhos elétricos, como o refrigerador, o ar-condicionado e a caldeira elétrica para aquecimento de espaço e água.

Como o uso desses aparelhos é geralmente responsável por aproximadamente metade do uso de eletricidade em uma família média, um sistema CAES de pequena escala com alta pressão tem demanda de eletricidade mais baixa em geral.



Um compressor de ar típico.

Fonte: https://www.thomasnet.com/articles/machinery-tools-supplies/Air-Compressors

Os sistemas de alta pressão resolvem facilmente a questão do tamanho do armazenamento.

Como vimos, uma pressão de ar maior pode reduzir bastante o tamanho de um recipiente de armazenamento de ar comprimido, mas apenas à custa do aumento do calor residual.

Em um sistema de pequena escala que aproveita as diferenças de temperatura para fornecer aquecimento e resfriamento, isso é vantajoso.

Portanto, os sistemas de alta pressão são ideais para edifícios residenciais de pequena escala, onde o espaço de armazenamento é limitado e onde há uma grande demanda por calor e frio, bem como eletricidade.

As únicas desvantagens são que os sistemas de alta pressão exigem tanques de armazenamento mais fortes e mais caros, e esse espaço extra é necessário para os trocadores de calor.




1 - (DC - Corrente Alternada) - Motor (simulador de turbina eólica)

2- Simulador de Rolagem

3- Placa de Inércia

4- Embreagem A

5 - Sistema de transmissão por correia

6 - Embreagem B

7 - Torque e medidor de velocidade

8 - PMSG

Configuração experimental de um micro sistema CAES. 

Vários grupos de pesquisa projetaram, modelaram e construíram unidades CAES de calor e potência combinadas em pequena escala que fornecem aquecimento e resfriamento, bem como eletricidade.

O sistema de alta pressão com um volume de armazenamento de apenas 0,55 m3 que mencionamos anteriormente, é um exemplo desse tipo de sistema.

Como notado, sua eficiência elétrica é de apenas 11-17%, mas o sistema também produz calor suficiente para produzir 270 litros de água quente por dia. Se esta fonte térmica de energia também for levada em consideração, a eficiência “energética” de todo o sistema está próxima de 70%.

Eficiências similares de "exergia" podem ser encontradas em outros estudos, com sistemas operando a pressões entre 50 e 200 bar.

Calor e frio de compressão e expansão podem ser distribuídos para dispositivos de aquecimento ou resfriamento por meio de água ou ar.

A configuração de um sistema de aquecimento e resfriamento por ciclo de ar é muito semelhante a um sistema CAES, exceto para o tanque de armazenamento. O aquecimento e o resfriamento do ar têm muitas vantagens, incluindo alta confiabilidade, facilidade de manutenção e uso de um refrigerante natural, que é ambientalmente benigno.

Pressão de pequena escala e baixa

A segunda estratégia para alcançar maiores eficiências e menores volumes de armazenamento é exatamente o oposto do primeiro.

Em vez de comprimir ar a uma alta pressão e aproveitar o calor e o frio da compressão e expansão, uma segunda classe de sistemas CAES de pequena escala baseia-se em baixas pressões e compressão e expansão “quase isotérmicas”.

Abaixo das pressões de ar de aproximadamente 10 bar, a compressão e a expansão do ar exibem mudanças de temperatura insignificantes (“quase isotérmicas”) e a eficiência do sistema de armazenamento de energia pode estar próxima de 100%.

Não há calor residual e, consequentemente, não há necessidade de reaquecer o ar durante a expansão.



A compressão isotérmica requer a menor quantidade de energia para comprimir uma determinada quantidade de ar a uma determinada pressão.

No entanto, chegar a um processo isotérmico está longe da realidade. Para começar, ele só funciona com compressores e expansores pequenos e / ou de ciclo lento. Infelizmente, os compressores industriais típicos não são feitos para a máxima eficiência, mas para potência máxima e, portanto, funcionam sob condições não-isotérmicas de ciclo rápido.

O mesmo vale para a maioria dos expansores industriais.

Abaixo de pressões de ar de 10 bar, a compressão e a expansão do ar exibem mudanças de temperatura insignificantes e a eficiência pode estar próxima de 100%.

O uso de compressores e expansores industriais explica, em grande parte, por que os sistemas CAES de baixa pressão mencionados no início deste artigo têm vasos de armazenamento tão grandes.

Ambos os sistemas são baseados em dispositivos que são operados fora de suas condições ideais ou nominais.

Como as ineficiências se multiplicam durante conversões de energia, até mesmo diferenças relativamente pequenas na eficiência de compressores e expansores podem ter grandes efeitos.

Por exemplo, uma variação na eficiência do dispositivo de 60% a 80% resulta em uma eficiência do sistema de 36% a 64%, respectivamente.

Como o desempenho de um compressor e um expansor afetam significativamente a eficiência geral de um sistema CAES de pequena escala, vários pesquisadores construíram seus próprios compressores e expansores, que são especialmente voltados para o armazenamento de energia.

Por exemplo, uma equipe projetou, construiu e examinou um compressor isotérmico de baixa potência de estágio único que utiliza um pistão de líquido.

Ele opera com uma taxa de compressão muito baixa (entre 10-60 rpm), que corresponde à saída de painéis fotovoltaicos solares, e limita a flutuação de temperatura durante a compressão e expansão a 2 graus Celsius.

O dispositivo de baixo custo tem o mínimo de peças móveis e obtém eficiências de 60 a 70% a uma pressão de 3 a 7 bar.

Esta é uma eficiência muito alta para um dispositivo tão simples, considerando que um sofisticado compressor centrífugo de três estágios, usado em sistemas CAES de grande escala ou em ambientes industriais, tem aproximadamente 70% de eficiência.

Além disso, os pesquisadores afirmam que a eficiência é limitada pelo motor de prateleira que eles usam para alimentar seu compressor. De fato, outra equipe de pesquisa atingiu 83% de eficiência.



Um compressor de rolagem.

Outra novidade é o uso de compressores scroll, que são os tipos de compressores que hoje são usados em refrigeradores, sistemas de ar condicionado e bombas de calor.

Ambos os compressores de pistão e de rolagem de fluido têm uma alta relação área / volume, o que minimiza a produção de calor e pode facilmente manipular o fluxo de duas fases, o que significa que eles também podem ser usados como expansores.

Eles também são mais leves e menos barulhentos do que os compressores convencionais alternativos.

Pressão de ar variável

Embora os compressores e expansores sejam os determinantes mais importantes da eficiência do sistema em sistemas CAES de pequena escala, eles não são os únicos.

Por exemplo, em todo sistema de armazenamento de energia de ar comprimido, a perda de eficiência adicional é causada pelo fato de que durante a expansão o reservatório de armazenamento está esgotado e, portanto, a pressão cai.

Enquanto isso, a pressão de entrada para o expansor é necessária para variar apenas em uma faixa mínima para garantir alta eficiência.

Isso geralmente é resolvido de duas maneiras, embora nenhuma seja realmente satisfatória.

Primeiro, o ar pode ser armazenado em um tanque com pressão excedente, após o que ele é reduzido até a pressão de entrada necessária do expansor.

No entanto, este método - que é usado em CAES de grande escala - requer uso adicional de energia e, portanto, introduz ineficiência.

Em segundo lugar, o expansor pode operar em condições variáveis, mas nesse caso a eficiência cairá junto com a pressão enquanto o armazenamento é esvaziado.

Durante a expansão, o reservatório de armazenamento está esgotado e, portanto, a pressão cai.

Com esses problemas em mente, uma equipe de pesquisadores combinou um CAES de pequena escala com uma usina hidrelétrica bombeada de pequena escala, resultando em um sistema que mantém uma pressão constante durante a descarga completa do reservatório de armazenamento.

Consiste em dois tanques de ar comprimido conectados por um tubo preso às partes inferiores: cada um deles possui espaços separados para o ar (abaixo) e armazenamento de água (acima).

A configuração mantém uma cabeceira de água por meio de uma bomba, que consome 15% da energia gerada.

No entanto, apesar desse uso extra de energia, os pesquisadores conseguiram aumentar tanto a eficiência quanto a densidade de energia do sistema.

Armazenamento de energia fora da grade

Para ter uma ideia do que uma combinação dos componentes certos pode alcançar, vamos dar uma olhada em um último projeto de pesquisa.

Trata-se de um sistema que é baseado em um compressor / expansor altamente eficiente, feito sob medida, que é diretamente acoplado a um motor / gerador de corrente contínua.

Além de seus componentes eficientes, esse projeto CAES também introduz uma configuração de sistema inovadora.

Não usa um grande tanque de armazenamento de ar, mas vários menores, que são interconectados e controlados por computador.

Uma configuração modular resulta em maior eficiência do sistema e densidade de energia, principalmente por dois motivos.

Primeiro, ajuda a transferência de calor mais eficaz, porque cada tanque de ar atua como um trocador de calor adicional.

Segundo, permite um melhor controle sobre a taxa de descarga do reservatório de armazenamento.

Os cilindros podem ser descarregados em uníssono para satisfazer uma demanda por alta densidade de potência (mais energia à custa de um menor tempo de descarga), ou podem ser descarregados sequencialmente para satisfazer uma demanda por alta densidade de energia (maior tempo de descarga a custo de potência máxima). descarregar cilindros de armazenamento modulares em sequência, o tempo de descarga pode ser bastante aumentado, tornando o sistema comparável às baterias de chumbo-ácido em termos de densidade de energia.




Válvulas de ar controladas por computador. 

A eficiência elétrico-elétrica para a configuração de 3 cilindros atingiu um pico de 85% a uma pressão de 3 bar, enquanto a eficiência estimada para a configuração de 57 cilindros é de 75%.

Estes são valores comparáveis ​​aos das baterias de íons de lítio, mas a adição de mais vasos de armazenamento ou a operação em pressões mais altas introduz maiores perdas devido à compressão, ao calor, ao atrito e às conexões.

No entanto, quando enviei um e-mail para Abdul Alami, o principal autor do estudo, achando que os resultados pareciam bons demais para ser verdade, ele me disse que os números eram na verdade excessivamente conservadores.

“Nós nos prendemos a baixas pressões para alcançar quase isotérmicas. compressão e para garantir uma operação segura.

Operar a pressões superiores a 10 bar criaria sérias perdas térmicas, mas uma pressão de 7-8 bar pode ser benéfica em termos de energia e densidade de potência, embora talvez não em termos de eficiência. ”

Em conclusão, o armazenamento de energia de ar comprimido em pequena escala poderia ser uma alternativa promissora às baterias, mas a pesquisa ainda está em seus estágios iniciais - o primeiro estudo sobre CAES de pequena escala foi publicado em 2010 - e novas idéias continuarão a lançar luz sobre como melhor desenvolver a tecnologia.

No momento, não há produtos comerciais disponíveis, e a configuração do seu próprio sistema pode ser bastante intimidante se você for novo na área de pneumática.

Simplesmente obter os componentes e acessórios corretos é uma dor de cabeça, pois eles vêm em uma variedade desconcertante e são vendidos apenas para indústrias.

No entanto, se você é paciente e não é muito desleixado, e se você está determinado a usar um sistema de armazenamento de energia mais sustentável, é perfeitamente possível construir seu próprio sistema CAES.

Como os exemplos neste artigo mostraram, é um pouco mais difícil construir um bom.

Kris De Decker

Há mais ideias para sistemas CAES de pequena escala no artigo anterior: História e Futuro da Economia do Ar Comprimido.

LOW-TECH MAGAZINE


Referências e Notas:

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https://link.springer.com/article/10.1007/s40565-016-0240-5

[3] There is increasing competition for potential CAES geologic units, as many are also well suited to the storage of natural gas or sequestered carbon. Furthermore, cavern storage imposes harsh requirements on the geographical conditions. For example, the originally planned Iowa CAES project in the US was terminated due to its porous sandstone condition. [2]

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[19] Lv, Song, et al. "Modelling and analysis of a novel compressed air energy storage system for trigeneration based on electrical energy peak load shifting." Energy Conversion and Management 135 (2017): 394-401. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890416311839

[20] Besharat, M. O. H. S. E. N., SANDRA C. Martins, and HELENA M. Ramos. "Evaluation of Energy Recovery in Compressed Air Energy Storage (CAES) Systems." 3rd IAHR Europe Congress. Book of Proceedings, Portugal. 2014. https://www.researchgate.net/profile/Mohsen_Besharat2/publication/270896130

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[21] Minutillo, M., A. Lubrano Lavadera, and E. Jannelli. "Assessment of design and operating parameters for a small compressed air energy storage system integrated with a stand-alone renewable power plant." Journal of Energy Storage 4 (2015): 135-144.
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[22] Villela, Dominique, et al. "Compressed-air energy storage systems for stand-alone off-grid photovoltaic modules." Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2010 35th IEEE. IEEE, 2010.
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[23] Paloheimo, H., and M. Omidiora. "A feasibility study on Compressed Air Energy Storage system for portable electrical and electronic devices." Clean Electrical Power, 2009 International Conference on. IEEE, 2009.
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[24] Prinsen, Thomas H. Design and analysis of a solar-powered compressed air energy storage system. Naval Postgraduate School Monterey United States, 2016.
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[25] The small-scale system aimed at urban environments, which has a storage reservoir of 18 metres long, is based on a compressor that “had been in service for 30 years on building sites to run various air tools and had little maintenance done”. [8] This is detrimental to system efficiency, because a compressor that is not maintained well easily wastes as much as 30% of its potential output through air leaks, increased friction, or dirty air filters. This small-scale system also used a highly inefficient expander. All together, this explains why it combines a very large storage volume with a very low electric-to-electric efficiency (less than 5%).

[26] Van de Ven, James D., and Perry Y. Li. "Liquid piston gas compression." Applied Energy 86.10 (2009): 2183-2191.
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[28] Alami, Abdul Hai. "Experimental assessment of compressed air energy storage (CAES) system and buoyancy work energy storage (BWES) as cellular wind energy storage options." Journal of Energy Storage 1 (2015): 38-43.

[29] Abdul Alami, e-mail conversation.

[30] Sun, Hao, Xing Luo, and Jihong Wang. "Feasibility study of a hybrid wind turbine system–Integration with compressed air energy storage." Applied Energy 137 (2015): 617 -628. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914006680

Eletricidade lenta: o retorno da energia DC ???

Eletricidade lenta: o retorno da energia DC?

Estação de força inicial Nos sistemas solares fotovoltaicos atuais, a energia de corrente contínua proveniente de painéis solares é convertida em energia de corrente alternada, tornando-a compatível com a distribuição elétrica de um edifício.

Como muitos dispositivos modernos operam internamente em corrente contínua (CC), a corrente alternada (CA) de eletricidade é então convertida de volta à eletricidade CC pelo adaptador de cada dispositivo.

Esta conversão de energia dupla, que gera até 30% de perdas de energia, pode ser eliminada se a distribuição elétrica do edifício for convertida em DC. 

O acoplamento direto de fontes de energia CC com cargas DC pode resultar em um sistema solar significativamente mais barato e mais sustentável. 

No entanto, algumas condições importantes precisam ser atendidas para atingir esse objetivo.

Imagem: Brighton Electric Light Station, 1887. 

Os motores a vapor fixos acionam geradores de corrente contínua por meio de cintos de couro. 

A eletricidade pode ser produzida e distribuída usando corrente alternada ou corrente contínua. No caso da eletricidade CA, a corrente muda de direção periodicamente, enquanto a tensão reverte junto com a corrente. No caso da eletricidade CC, a corrente flui em uma direção e a tensão permanece constante.

Quando a transmissão de energia elétrica foi introduzida no último quarto do século XIX, AC e DC estavam competindo para se tornar o sistema padrão de distribuição de energia - um período da história conhecido como a "guerra de correntes".

AC ganhou, principalmente por causa de sua maior eficiência quando transportado por longas distâncias. A energia elétrica (expressa em watt) é igual à corrente (expressa em ampère) multiplicada pela tensão (expressa em volt). Consequentemente, uma dada quantidade de energia pode ser produzida por uma baixa voltagem com uma corrente mais alta ou por uma alta voltagem com uma corrente mais baixa. No entanto, a perda de energia devido à resistência é proporcional ao quadrado da corrente. Portanto, altas tensões são a chave para a transmissão de energia com eficiência energética em longas distâncias.

A invenção do transformador de corrente alternada no final do século XIX tornou possível aumentar facilmente a tensão para transportar energia por longas distâncias, e então recomeçá-la novamente para uso local. A eletricidade DC, por outro lado, não poderia ser convertida eficientemente em altas voltagens até os anos 1960. Consequentemente, era impossível transmitir energia eficientemente por longas distâncias (> 1-2 km).

Brush_central_power_station_dynamos_New_York_1881Ilustração: A dínamo central da Brush Electric Company produz lâmpadas de arco para iluminação pública em Nova York. Começando a operar em dezembro de 1880, na rua West Twenty-Fifth, nº 133, o circuito funcionava em um circuito de 3,2 km. Fonte: Wikipedia Commons.

Uma rede de energia CC implicava a instalação de usinas relativamente pequenas em todos os bairros. Isso não era ideal porque a eficiência dos motores a vapor que alimentavam os dínamos dependia de seu tamanho - quanto maior o motor a vapor, mais eficiente ele se torna. Além disso, os motores a vapor eram barulhentos e produziam poluição do ar, enquanto a baixa eficiência de transporte de energia DC excluía o uso de fontes de energia hidrelétrica mais distantes e limpas.

Mais de cem anos depois, a AC ainda constitui a base da nossa infraestrutura de energia. Embora a DC de alta voltagem esteja ganhando terreno para o transporte de longa distância, toda a distribuição de eletricidade nos edifícios é baseada em corrente alternada, seja em 110V ou 220V. Sistemas de baixa voltagem DC sobreviveram em carros, caminhões, motorhomes, caravanas e barcos, bem como em escritórios de telecomunicações, estações científicas remotas e abrigos de emergência. Na maioria desses exemplos, os dispositivos são alimentados por baterias que operam em 12V, 24V ou 48V DC.

Juros renovados em energia DC
Recentemente, dois fatores convergentes renovaram o interesse na distribuição de energia de corrente contínua. Primeiro, agora temos melhores alternativas para a geração de energia descentralizada, sendo as mais significativas delas painéis solares fotovoltaicos. Eles não poluem e sua eficiência é independe do seu tamanho. 

Os painéis solares podem ser localizados exatamente onde a demanda de energia e a transmissão de energia de longa distância não é uma exigência. Além disso, os painéis solares "naturalmente" produzem energia CC, assim como as baterias químicas, que são a tecnologia de armazenamento mais prática para sistemas fotovoltaicos.

Painéis solares fotovoltaicos produzem naturalmente energia CC, e uma parcela crescente de nossos eletrodomésticos operam internamente em corrente contínua

Em segundo lugar, uma parcela crescente de nossos aparelhos elétricos opera internamente em energia CC. Isso vale para computadores e todos os outros aparelhos eletrônicos, bem como para iluminação de estado sólido (LEDs), televisores de tela plana, equipamento estéreo, fornos de microondas e uma quantidade crescente de dispositivos operados em motores CC com operação de velocidade variável (ventiladores, bombas , compressores e sistemas de tração). Nos próximos 20 anos, poderíamos ver até 50% das cargas totais em residências sendo constituídas de consumo de energia elétrica. [2]

Central elétrica do hipódromo em Paris. 

Um motor a vapor executa vários dínamos que acionam lâmpadas de arco.

 Fonte desconhecida.

Em um edifício que gera energia solar fotovoltaica, mas a distribui-a em ambientes internos por meio de um sistema elétrico CA, é necessária uma conversão de energia dupla. Primeiro, a energia CC do painel solar é convertida em energia CA usando um inversor. Em seguida, a energia CA é convertida novamente em energia CC pelos adaptadores de dispositivos internos da CC, como computadores, LEDs e microondas. 

Essas conversões de energia implicam em perdas de energia, que poderiam ser evitadas se um prédio movido a energia solar fosse equipado com distribuição de corrente contínua. 

Em outras palavras, um sistema elétrico de corrente contínua poderia tornar o sistema fotovoltaico mais eficiente no uso de energia.

Mais energia solar por menos dinheiro
Como o uso de energia operacional e os custos de um sistema fotovoltaico solar são nulos, uma maior eficiência energética se traduz em menores custos de capital, uma vez que menos painéis solares são necessários para gerar uma determinada quantidade de eletricidade. 

Além disso, não há necessidade de instalar um inversor, que é um dispositivo caro que deve ser substituído pelo menos uma vez durante a vida útil de um sistema fotovoltaico solar. 

Custos de capital mais baixos também implicam menor energia incorporada: se menos painéis solares e nenhum inversor forem necessários, é preciso menos energia para produzir a instalação de energia solar fotovoltaica, o que é crucial para melhorar a sustentabilidade da tecnologia.

Menos painéis solares são necessários para gerar uma determinada quantidade de eletricidade

Uma vantagem semelhante seria aplicada a dispositivos elétricos. Em um prédio com distribuição de energia CC, os dispositivos elétricos internos de CC podem eliminar todos os componentes necessários para a conversão de CA para CC. 

Isso os tornaria mais simples, mais baratos, mais confiáveis ​​e menos intensivos em energia para produzir. 

Os adaptadores CA / CC (que podem ser alojados em uma fonte de alimentação externa ou no próprio dispositivo) são freqüentemente o componente limitador de vida de dispositivos internos de CC, e são bastante substanciais em tamanho. [2]

Ilustração: Driver de energia para uma lâmpada LED de 35W. [3] 

Todas as peças necessárias para a conversão de CA para CC são marcadas.

Por exemplo, para uma luz LED, aproximadamente 40% da placa de circuito impresso é ocupada pelos componentes necessários para a conversão de CA para CC. [3] Adaptadores AC / DC têm mais desvantagens. Como resultado de uma estratégia comercial duvidosa, eles geralmente são específicos de um dispositivo, resultando em desperdício de recursos, dinheiro e espaço. 

Além disso, um adaptador continua usando energia quando o dispositivo não está funcionando e até mesmo quando o dispositivo não está conectado a ele.

A distribuição de energia CC tornaria os dispositivos mais simples, mais baratos, mais confiáveis ​​e menos intensivos em energia para produzir suas funções.

Por último, mas não menos importante, as redes CC de baixa tensão (até 24V) são consideradas seguras contra choque ou incêndio, o que permite que os eletricistas instalem fiação relativamente simples, sem aterramento ou caixas de junção de metal e sem proteção contra contato direto. [4, 5, 6] Isso aumenta ainda mais a economia de custos e permite que você instale um sistema solar sozinho. 

Nós demonstramos esse sistema DIY - (DIY é a sigla da expressão do inglês Do It Yourself que significa Faça Você mesmo - na tradução para língua portuguesa) - (no próximo artigo, onde também explicamos como obter dispositivos DC ou converter dispositivos AC em DC.

Quanta energia pode ser salva?

É importante notar, no entanto, que a vantagem de eficiência energética de uma rede DC não é um dado. A economia de energia pode ser significativa, mas também pode ser muito pequena ou até negativa. Se a DC é ou não uma boa escolha, depende principalmente de cinco fatores: as perdas de conversão específicas nos adaptadores CA / CC de todos os dispositivos, o tempo da "carga" (o uso de energia), a disponibilidade de armazenamento elétrico, comprimento dos cabos de distribuição e o uso de energia dos aparelhos elétricos.

A eliminação do inversor resulta em economias de energia bastante previsíveis. Trata-se apenas de um dispositivo com uma eficiência bastante fixa (+ 90% - embora a eficiência possa despencar para cerca de 50% com carga baixa). No entanto, o mesmo não pode ser dito dos adaptadores AC / DC. Não apenas existem tantos adaptadores quanto dispositivos DC internos, mas suas eficiências de conversão também variam muito, de menos de 50% para dispositivos de baixa potência a mais de 90% para dispositivos de alta potência. [6, 7, 8]

Consequentemente, a perda total de energia dos adaptadores AC / DC pode ser muito diferente, dependendo do tipo de equipamento usado em um edifício - e como eles são usados. Assim como os inversores, os adaptadores consomem relativamente mais energia quando pouca energia é usada, por exemplo, nos modos de espera ou baixo consumo de energia. [8]

As perdas de conversão nos adaptadores são mais elevadas para DVDs / VCRs (31%), áudio doméstico (21%), computadores pessoais e equipamentos relacionados (20%), eletrônicos recarregáveis ​​(20%), iluminação (18%) e televisões (15% ). 

As perdas de eletricidade são menores (10-13%) para aparelhos mais comuns, como ventiladores de teto, cafeteiras, lava-louças, torradeiras elétricas, aquecedores, fornos de microondas, refrigeradores e assim por diante. 

A iluminação e os computadores (que têm altas perdas de CA / CC) geralmente representam uma grande parcela do uso total de eletricidade em escritórios, lojas e edifícios institucionais. Os agregados familiares têm aparelhos mais diversos, incluindo dispositivos com menores perdas AC / DC. Consequentemente, um sistema de CC proporciona maior economia de energia em escritórios do que em edifícios residenciais.

A maior vantagem está nos data centers, onde os computadores são a carga principal. Alguns centros de dados já mudaram para sistemas DC, mesmo que não sejam alimentados por energia solar. Como um adaptador grande é mais eficiente do que uma infinidade de adaptadores pequenos, a conversão de CA para CC em um nível local (usando um retificador em massa) em vez de em servidores individuais, pode gerar economia de energia entre 5 e 30%.

A importância do armazenamento de energia
Se assumirmos uma perda de energia de 10% no inversor e uma perda média de 15% para todos os adaptadores CA / CC, esperamos uma economia de energia de cerca de 25% ao mudar para distribuição CC em um prédio movido a energia solar fotovoltaica. 

No entanto, uma economia tão significativa não é garantida. Para começar, a maioria dos edifícios com energia solar é conectada à rede. Eles não armazenam energia solar em baterias locais, mas dependem da rede para lidar com excedentes e escassez.

Em um edifício com energia solar net-calibrada, carrega apenas cargas coincidente com saída de PV solar podendo beneficiar de uma grade DC

Isso significa que o excesso de energia solar precisa ser convertido de CC para CA para enviá-lo à rede elétrica, enquanto a energia retirada da rede precisa ser convertida de CA para CC, a fim de ser compatível com o sistema de distribuição elétrica da rede elétrica. 

Conseqüentemente, em um edifício com energia solar fotovoltaica  com cargas coincidentes, com a saída fotovoltaica solar podem se beneficiar de uma rede de corrente contínua.

As primeiras estações de energia DC tinham um dínamo para cada lâmpada.

Fonte desconhecida.

Mais uma vez, isso significa que as vantagens da eficiência de um sistema de corrente contínua são geralmente maiores em edifícios comerciais, onde a maior parte do uso de eletricidade coincide com a saída de CC do sistema solar. 

Nos edifícios residenciais, por outro lado, o uso de energia com frequência atinge o pico nas manhãs e noites, quando pouca ou nenhuma energia solar está disponível.

Consequentemente, existe apenas uma pequena vantagem para obter de um sistema DC em um edifício residencial com medição líquida, já que a maioria da eletricidade será convertida para ou a partir de CA de qualquer maneira. Um estudo recente calculou que um sistema de CD poderia melhorar a eficiência energética de uma casa americana alimentada por energia solar com uma média de apenas 5% - a média é de 14 casas nos EUA. 

Sistemas Solares Off-Grid
Para realizar todo o potencial de uma rede DC, especialmente quando se trata de um edifício residencial, precisamos armazenar energia solar em baterias no local. Dessa forma, o sistema pode armazenar e usar energia no formato DC. 

O armazenamento de energia pode acontecer em um sistema fora da rede, que é totalmente independente da rede, mas adicionar um pouco de armazenamento de bateria a um edifício medido pela rede também melhora a vantagem de um sistema de corrente contínua. 

No entanto, o armazenamento de energia acrescenta outro tipo de perda de energia: as perdas de carga e descarga das baterias. A eficiência de ida e volta para baterias de chumbo-ácido é 70-80%, enquanto que para o lítio é de cerca de 90%.


Infelizmente, o armazenamento de energia adiciona outro tipo de perda de energia - as perdas de carga e descarga das baterias - e nega as vantagens de custo de um sistema DC

A quantidade exata de energia que pode ser economizada com o armazenamento da bateria no local depende novamente do tempo da carga. 

A eletricidade usada durante o dia - quando as baterias estão cheias - não envolve qualquer carga de bateria e perdas de descarga. Nesse caso, a economia de energia de um sistema CC pode ser de 25% (10% para eliminar o inversor e 15% para eliminar os adaptadores).

No entanto, a eletricidade utilizada após o pôr-do-sol reduz a poupança de energia para 15% para as baterias de iões de lítio e entre -5% e + 5% para as baterias de chumbo-ácido. 

Na realidade, a eletricidade provavelmente será usada antes e depois do pôr-do-sol, de forma que as melhorias de eficiência estarão em algum lugar entre esses extremos (-5% a 25% para chumbo-ácido e 15-25% para lítio-íon).

Kensington Court Station: motor a vapor, dínamo e baterias. 

Fonte: Estação Central de Iluminação Elétrica, Killingworth Hedges, 1888

Por outro lado, o armazenamento de baterias traz uma vantagem adicional: há menos ou - em um sistema totalmente independente - nenhuma perda adicional de energia para a transmissão e distribuição de energia elétrica de longa distância. Essas perdas variam muito dependendo da localização. 

Por exemplo, as perdas médias de transmissão são de apenas 4% na Alemanha e na Holanda, mas 6% nos EUA e na China e entre 15 e 20% na Turquia e na Índia.

Se adicionarmos mais 7% de economia de energia devido a perdas de transmissão evitadas, um sistema CC fora da rede pode trazer economia de energia entre 2% e 32% para baterias de chumbo-ácido e entre 22% e 32% para baterias de lítio-íon, dependendo do tempo da carga.

Em um sistema CC fora da rede, o uso de eletricidade pode ser atendido por um sistema solar de um quinto a um terço menor, dependendo do tipo de bateria usada.

Assumindo 50% de uso de energia durante o dia e 50% de uso de energia durante a noite, chegamos a um ganho de 17% para um sistema fora da rede usando baterias de chumbo-ácido e 27% para armazenamento de íons de lítio. Isso significa que o uso de eletricidade pode ser atendido com um sistema solar que é de um quinto a um terço menor, respectivamente. As economias de custo total permanecerão um pouco maiores, porque ainda não precisamos de um inversor e os custos de instalação são menores ou inexistentes.

Infelizmente, introduzir o armazenamento de eletricidade no local aumenta os custos de capital novamente, porque precisamos investir em baterias. Isso irá negar a vantagem de custo obtida na escolha de um sistema DC. O mesmo vale para a energia investida no processo de produção: um sistema CC fora da rede requer menos energia para a fabricação de painéis solares, mas estimula pelo menos o uso de energia para a fabricação de baterias.

No entanto, devemos comparar as maçãs com as maçãs: um sistema solar CC fora da rede é mais barato e mais eficiente em termos energéticos do que um sistema fora de rede AC, e é isso que conta. As análises do ciclo de vida dos sistemas solares com medição líquida não representam a realidade, porque ignoram um componente essencial dos sistemas de energia solar.

Perdas de cabo
Há mais uma coisa importante a considerar, no entanto. Como vimos, a perda de potência devido à resistência é proporcional ao quadrado da corrente. Consequentemente, as redes CC de baixa tensão têm perdas de cabos relativamente altas dentro do edifício. Existem duas maneiras pelas quais as perdas de cabos podem fazer uma escolha por um sistema DC contraproducente.

O primeiro é o uso de dispositivos de alta potência e o segundo é o uso de cabos muito longos.

Regulação de tensão em usinas de energia precoces Regulação de tensão em usina de energia precoce. Fonte desconhecida.

A perda de energia nos cabos é igual ao quadrado da corrente (em ampère), multiplicado pela resistência (em ohm). A resistência é determinada pelo comprimento, diâmetro e material condutor dos cabos. Um fio de cobre com uma seção transversal de 10 mm2, distribuindo 100 watts de potência a 12 V (8,33 A) em uma distância de 10 metros, produz uma perda de energia aceitável de 3%. No entanto, com um comprimento de cabo de 50 metros, a perda de energia chega a 16% e a uma extensão de 100 metros, a perda de energia chega a 32% - o suficiente para anular as vantagens de eficiência de uma rede CC mesmo no cenário mais otimista .

As perdas de energia relativamente altas nos cabos limitam o uso de aparelhos de alta potência

As perdas de cabos relativamente altas também limitam o uso de aparelhos de alta potência. Se você quiser operar um micro-ondas de 1.000 watts em uma rede de 12V DC, as perdas de energia somam 16% com um comprimento de cabo de apenas 1 metro e pularão para 47% com um comprimento de cabo de 3 metros.

Obviamente, uma rede CC de baixa tensão não é adequada para dispositivos de energia, como máquinas de lavar roupa, lava-louças, aspiradores de pó, fogões elétricos, fornos elétricos ou caldeiras de água quente. Note-se que o uso de energia e não o uso de energia é importante a este respeito. O uso de energia é igual ao uso de energia multiplicado pelo tempo. Um refrigerador usa muito mais energia que um micro-ondas, porque está ligado 24 horas por dia, mas seu uso de energia pode ser pequeno o suficiente para ser operado em uma rede DC.

As perdas de cabos também limitam o uso de energia combinada de dispositivos de baixa potência. Se assumirmos um comprimento de distribuição de cabo de 12V de 12 metros e quisermos manter as perdas de cabo abaixo de 10%, então o uso combinado de energia de todos os aparelhos é limitado a cerca de 150 watts (8,5% de perda de cabo). Por exemplo, isso permite o uso simultâneo de dois laptops (20 watts de energia cada), um refrigerador DC (45 watts) e cinco lâmpadas LED de 8 watts (40 watts no total), o que deixa outros 25 watts de energia por par de dispositivos menores.

Como limitar as perdas de cabos
Existem várias maneiras de contornar as perdas de distribuição de um sistema DC de baixa tensão. Se se trata de um novo edifício, o seu layout espacial pode limitar significativamente o comprimento do cabo de distribuição. Por exemplo, pesquisadores holandeses conseguiram reduzir o comprimento total do cabo em uma casa de 40 a 12 metros. Eles fizeram isso movendo a cozinha e a sala de estar (onde a maioria da eletricidade é usada) para o primeiro andar, logo abaixo do telhado (onde estão os painéis solares), enquanto movem os quartos para o térreo. Eles também agruparam a maioria dos aparelhos na parte central do edifício, logo abaixo dos painéis solares (veja a ilustração abaixo).

Outra maneira de reduzir as perdas de cabos é a instalação de vários sistemas solares independentes por um ou dois ambientes. Esta pode ser a única maneira de resolver o problema em um edifício maior e existente que foi projetado sem um sistema DC em mente. Embora essa estratégia implique o uso de controladores de carga solar extra, ela pode reduzir muito as perdas de cabos. Essa abordagem também permite que o uso de energia de todos os aparelhos ultrapasse os 150 watts.

A instalação de sistemas solares independentes por um ou dois quartos é uma maneira de limitar as perdas de cabos e aumentar o uso total de energia

Uma terceira maneira de limitar as perdas de cabos é escolher uma voltagem mais alta: 24 ou 48V em vez de 12V. Como as perdas de energia aumentam com o quadrado da corrente, dobrar a tensão de 12 para 24V faz com que as perdas de cabos sejam 4 vezes menores, e a comutação para 48V reduz as perdas por um fator de dezesseis. Essa abordagem também permite o uso de dispositivos de maior potência e aumenta a potência total que pode ser usada por um sistema DC. No entanto, voltagens mais altas também apresentam algumas desvantagens.

Primeiro, a maioria dos aparelhos DC de baixa tensão atualmente no mercado operam em 12V, de modo que o uso de uma rede de 24 ou 48V CC envolve o uso de mais adaptadores CC / CC, que reduzem a tensão e também têm perdas de conversão. Segundo, tensões mais altas (acima de 24V) eliminam as vantagens de segurança de um sistema DC. Em data centers e escritórios, bem como nos edifícios residenciais americanos no estudo mencionado anteriormente, a eletricidade CC é distribuída por todo o edifício em 380V, mas isso requer medidas de segurança tão rígidas quanto a eletricidade de 110V ou 220V AC. 

Eletricidade Lenta
Encurtar o comprimento do cabo ou dobrar a voltagem para 24V ainda não permite o uso de dispositivos de alta potência como um microondas ou uma máquina de lavar roupa. Existem duas maneiras de resolver esse problema. O primeiro é instalar um sistema híbrido AC / DC. Neste caso, uma grade DC é configurada para dispositivos de baixa potência, como luzes LED (<10 watts), laptops (<20 watts), uma televisão (30-90 watts) e uma geladeira (<50 watts), enquanto uma grade AC separada é configurada para dispositivos de alta potência. 

Esta é a abordagem para residências e pequenos escritórios promovida pela EMerge Alliance, um consórcio de fabricantes de produtos DC, que desenvolveu um padrão para um sistema híbrido 24V DC / 110-220V AC.

No final do século 19, a única carga elétrica nas residências era a iluminação.

Dispositivos de baixa potência são (em média) responsáveis ​​por 35-50% do uso total de eletricidade em uma casa. Mesmo no melhor cenário (50% da carga), um sistema híbrido reduz pela metade os ganhos de eficiência energética que calculamos acima, o que nos deixa com uma economia de energia de apenas 8,5% a 13,5%, dependendo dos tipos de baterias usadas . Estes números serão menores ainda devido a perdas de cabos. Em suma, um sistema AC / DC híbrido traz economias de energia bastante pequenas, que poderiam ser facilmente apagadas por efeitos rebote.

A segunda maneira de solucionar o problema dos dispositivos de alta potência é simplesmente não utilizá-los. 

Esta é a abordagem que é seguida em veleiros, motorhomes e caravans, onde um sistema de distribuição de AC de suporte simplesmente não é uma opção. 

Esta é a solução mais sustentável para os limites da energia CC, porque neste caso a escolha pela DC também resulta em uma redução da demanda de energia. A economia total de energia poderia, assim, se tornar muito maior do que os 17-27% calculados acima, e então finalmente teremos uma solução radicalmente melhor que poderia fazer a diferença.

Uma maneira de resolver o problema dos dispositivos de alta potência é simplesmente não utilizá-los - essa é a abordagem que é seguida em veleiros, motorhomes e caravans.

Obviamente, esta estratégia implica uma mudança no nosso modo de vida. Isso significaria que a eletricidade é usada apenas para iluminação, eletrônica e refrigeração, enquanto alternativas não elétricas são escolhidas para todos os outros aparelhos. Não por acaso, isso é bastante semelhante ao modo como as redes de distribuição de energia foram operadas no final do século XIX, quando a única carga elétrica era para a iluminação - as primeiras lâmpadas de arco e as lâmpadas incandescentes posteriores.

Assim, não existia lava-louças, mas lavar a louça à mão. 

Nenhuma máquina de lavar roupa, mas lavar a roupa em uma lavanderia ou com uma máquina operada manualmente.

Não há utensílios de cozinha convenientes e que economizam tempo, como chaleiras elétricas, microondas e máquinas de café, mas um fogão tradicional operado por (bio) gás, um fogão solar ou um fogão turbinado.

Nenhum aspirador de pó, mas uma vassoura e um batedor de tapetes. Sem congelador, mas ingredientes frescos. 

Não há caldeira de água quente elétrica, mas uma caldeira solar e uma pequena lavagem na pia se o sol não brilha. 

Nenhum carro elétrico, mas uma bicicleta.

Para descobrir o que é possível, estamos convertendo a sede da revista de baixa tecnologia em um sistema de 12V DC fora da rede - mais sobre isso no próximo post.

Escrito por Kris De Decker. 

Editado por Jenna Collett.

Publicação BR - Technosol Sustentabilidade

Aviões vão passar de tubo com asas para caixa com asas

Avião de Prandtl

O tradicional "tubo com asas" que tem marcado a aparência dos aviões virtualmente desde sua criação pode mudar para uma arquitetura do tipo "caixa com asas".

O projeto europeu Parsifal elegeu esse design, conhecido como avião de asa fechada, ou avião de Prandtl - em homenagem a seu idealizador, o engenheiro alemão Ludwig Prandtl (1875-1953) - como a melhor opção para o avião do futuro.

As análises e simulações mostraram que o avião de asa fechada supera o tubo com asas em todas as categorias, tornando os aviões mais espaçosos, mais ecológicos e menos dispendiosos.

Definida a configuração estrutural do avião, a equipe agora está construindo um modelo em escala, que deverá estar pronto em 2020.

Avião com escadas embutidas

O projeto está se concentrando na categoria de aviões de tamanho médio, adequados para aeroportos regionais. 

A diferença é que, em vez dos 180 passageiros desta categoria, a caixa com asas está sendo projetada para transportar mais de 300 passageiros, devido ao ganho de espaço interno. 

Os engenheiros garantem que, de fato, em vez de exigir mais espaço, ele deverá oferecer vantagens significativas em termos de operações terrestres mesmo com esse acréscimo de passageiros - por exemplo, dispensando as escadas externas.

"Estamos planejando ilhas maiores e três conjuntos de escadas embutidas," explica Aldo Frediani, da Universidade de Pisa, na Itália, coordenador do projeto.

 "Essas características permitirão que os passageiros embarquem e desembarquem mais rápido, o que economiza tempo e reduz os custos tanto para os operadores de aeroportos quanto para as companhias aéreas".

O avião de Prandtl, com sua aerodinâmica otimizada, também deverá consumir menos combustível e gerar menos emissões. 

Em particular, acrescenta Frediani, isso diminuirá significativamente a poluição nas áreas aeroportuárias, uma vez que esse tipo de avião é especialmente eficiente nas baixas velocidades envolvidas durante a decolagem e o pouso.

Avião de asa fechada

Todas essas vantagens derivam da característica básica do avião de Prandtl: o seu design.

O tubo ainda parece estar lá, mas pode ser largamente ovalado, e a visão das asas faz com que os engenheiros prefiram chamá-lo de "caixa com asas" porque, quando o avião é visto de frente, as asas descrevem um retângulo - a caixa com asas é um tipo particular de design de asa fechada.

"Há duas horizontais típicas de um biplano, mas as pontas das asas estão conectadas com asas verticais," explica Frediani. 

"Devido a essa configuração especial, esse tipo de aeronave é mais eficiente do que uma convencional".

Com o mesmo tamanho externo, esse design permite passar de 180 para 300 Passageiros - e com escadas embutidas. [Imagem: DICI Pisa University]

Investimentos

Com seu protótipo, a equipe espera atrair a atenção de uma das grandes indústrias de aviação do mundo, uma vez que serão necessários investimentos para levar o avião proposto do computador para o céu.

Segundo Frediani, se a ideia for bancada por um fabricante de aeronaves imediatamente, os aviões baseados no projeto de asa fechada poderão estar voando dentro de 20 anos.

Fonte: Inovação Tecnológica

Casa Móvel Auto Suficiente Começa a ser Comercializada

Às vezes, falamos de projetos tão interessantes e futurísticos que parecem que eles nunca vão sair do papel.

Felizmente, nos surpreendemos positivamente.

Este é caso do projeto Ecocapsule, uma casa que gera toda a energia que precisa e pode ser levada para qualquer lugar do mundo, que acaba de fazer sua estreia internacional.

Foram lançadas 50 moradias para clientes que vivem nos Estados Unidos, Japão, Austrália e União Europeia. 

Quem vê de fora não imagina que as minúsculas casas têm tantas vantagens: 

sua superfície é coberta por placas fotovoltaicas, uma pequena turbina eólica e ainda é capaz de coletar e filtrar sua própria água.



Em forma de cápsula, a casa é feita com fibra de vidro e aço e pode acomodar até duas pessoas.

Esta é uma tendência bastante comum em alguns países, como nos Estados Unidos. 

O interessante é perceber o esforço dos escritórios de arquitetura em tornar esses pequenos espaços residenciais em verdadeiros oásis autossustentáveis.

A turbina eólica produz 750W de energia limpa, enquanto os painéis solares embutidos produzem 880W.

A energia é armazenada em uma bateria e o “microhome” ainda pode ser conectado a uma tomada externa, caso seja necessário energia adicional.



A Ecocapsule se encaixa em qualquer contêiner de tamanho padrão e também pode ser transportada através de reboque para qualquer lugar do mundo.
Como morar em uma casa minúscula?

O projeto foi pensado inicialmente para ser uma habitação temporária.

Cientistas e fotógrafos da natureza selvagem fariam parte do público alvo. Mas, todo o potencial da cápsula foi sendo percebido ao longo do tempo.

A casa-móvel é capaz de oferecer o mesmo tipo de conforto disponível em uma residência tradicional.



Os moradores contam com torneiras, chuveiro quente e banheiros equipado com vasos sanitários com descarga. A água, assim como a energia, também é obtida de maneira sustentável. Sua forma esférica é otimizada para recolher a água da chuva e do orvalho.

O recurso passa por um filtro e pode ser usado para o consumo humano.

O mesmo sistema serve para limpar água de outros mananciais.




A segunda série de produção em massa estima-se que seja até o final de 2018. 

Para saber valores e mais informações, confira o site da empresa.

Por Ciclo Vivo

8 Oportunidades de carreira emocionantes O seu diploma de engenharia civil torna possível

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Onde você usará seus conhecimentos e habilidades? Estes são os trabalhos que você pode esperar.

Empregos diferentes em engenharia civil
Em todo lugar, você vê os resultados do impacto dos engenheiros civis: estradas, edifícios, estruturas de comunicação e muito mais. Um dia, você pode olhar para o seu próprio trabalho depois de desempenhar um desses papéis.

Engenheiro de consultoria ou design

Estes são os engenheiros que iniciam projetos. Compreenda o que a empresa ou o cliente deseja e crie um plano para que isso aconteça.

Se um novo edifício ou estrada deve ser construído, tudo começa com a análise. Você verá o site, determinará o impacto ambiental e começará a projetar a construção.

Mas não é apenas técnico. Você também é responsável por licitações, orçamentos e relatórios. E não se esqueça das licenças necessárias para iniciar a construção.

Se o projeto for viável, os planos precisam ser juntos. Os desenhos detalhados são feitos com a ajuda de CAD (Computer Aided Design). Você pode até mesmo construir modelos 3D físicos para exibir aos clientes.

Seu trabalho pode se estender a organizar o que acontece no local de construção, embora isso possa ser assumido por um engenheiro civil contratante (veja abaixo). Mas ao longo do projeto você deve monitorar se tudo vai de acordo com o plano.

As aplicações são vastas. Você pode usar essa abordagem em engenharia química, civil ou elétrica e até software e design industrial.

Engenheiro civil contratante
Alguém tem que assumir a liderança em um canteiro de obras. Como engenheiro civil contratante, esta será sua tarefa. Você toma o plano que você ou outro engenheiro juntar e usar recursos para torná-lo realidade.

Você deve gerenciar pessoas e recursos, como materiais de construção. E tudo no site é sua responsabilidade:

- Segurança

- Horários de trabalho

- Resolvendo problemas

- Mantenha o orçamento

- Controle de qualidade

Você pode ver que este trabalho será feito principalmente no site e não em um escritório. Você vai gostar de ser parte da ação?

Controlador de controle de construção

Neste papel, você vai olhar para edifícios antes e depois da construção:

- Você avalia planos para garantir que um novo edifício atenda aos regulamentos

- Os edifícios existentes são inspecionados para determinar sua segurança

Suas preocupações serão geralmente relacionadas a fundações, acessibilidade e sustentabilidade. Se você identificar problemas, ajudará a encontrar soluções.

Um ângulo interessante é ajudar a manter os edifícios históricos em ordem. Se as demolições forem feitas ou as reparações realizadas, você terá que monitorar e certificar o trabalho após a conclusão.

Engenheiro nuclear

Aqui está um salto para o futuro. Suas habilidades de engenharia civil podem ser usadas para usar a energia nuclear em benefício da sociedade:

- Você pode encontrar novas maneiras de aplicar a ciência e a tecnologia

- Você assegurará que as instalações atuais - como as estações de energia - sejam seguras de usar

Algumas instalações precisam ser desarmadas com segurança

Você pode encontrar um nicho que você prefere, como trabalhar no reator, gerenciar os processos ou simplesmente monitorar a saúde e a segurança.

Você pode ver que é possível encontrar uma posição que se ajuste a todos os seus interesses.

Engenheiro de Obras

Aqui está outra posição que é tudo sobre o que está acontecendo em um site de construção.

Suas responsabilidades começam tão cedo quanto nivelar o site e você lida com o controle de qualidade até o final.

Você se tornará a pessoa fundamental em todos os outros - como o arquiteto e os subcontratados - para obter orientação técnica. Tudo no site será de sua responsabilidade, tais como:

- Condições de segurança

- Logística diária

- Resolvendo problemas

- Abrindo o orçamento

- Materiais de pesquisa

Existe um grande foco em trabalhar com as pessoas, porque você trabalhará com a equipe no site, bem como clientes e as autoridades.

Engenheiro estrutural

Se você gosta de criar, você encontrará satisfação no trabalho de ser um engenheiro estrutural.

Ao usar seu conhecimento especializado em matemática e ciência, você irá projetar novos edifícios. Você encontra formas de aderir aos regulamentos de segurança e lidar com tensões, como condições climáticas ou do solo. Você usará imagens de computador para visualizar suas criações antes de serem iniciadas.

E mais uma vez as opções de carreira são vastas. As estruturas existentes podem precisar ser fortalecidas quando se deterioraram. Um engenheiro estrutural é a pessoa perfeita para ajudar a elaborar um plano.

Engenheiro Hídrico

Aqui está a prova de que engenheiros civis têm impacto em todos os campos. Engenheiros Hídricos podem lidar com projetos focados em:

- Obras de esgoto

- Prevenção de danos causados por inundações

- Reservatórios

- Aplicações ambientais

Devido ao risco de retenção de água - pode danificar ou destruir - o gerenciamento de ativos pode fazer parte do seu papel futuro.

Engenheiro ambiental

Passando pela lista, parece que o trabalho dos engenheiros civis é sobre a criação de cidades. Mas suas habilidades também podem ser usadas para salvar a natureza.

As mesmas habilidades que você usa para contornar problemas em um site de construção podem ser aplicadas para resolver dificuldades de poluição ou melhorar a saúde pública.

Suas habilidades como engenheiro civil serão vastas e impressionantes. Onde você vai usá-los?

Opções alternativas

Talvez você tenha feito esse trabalho por um tempo, mas sabe que é hora de mudar. 

Felizmente, suas habilidades e conhecimento como engenheiro civil podem ser valiosos em outros papéis também. 

Procure ofertas de emprego nessas áreas e descubra o que você precisa para fazer a transição:

- Consultante em relação ao meio ambiente ou sustentabilidade

- Agrimensor da quantidade

- Geólogo engenheiro

- Gerente de construção

- Engenheiro de serviços de construção

Algum destes é o que você está procurando?

Esta não é uma carreira fácil. 

As qualificações são difíceis de obter e o trabalho tem muita responsabilidade. 

Mas quando você vê seus planos e edifícios tornarem-se realidade, o trabalho duro vale a pena. 

E você pode decidir em que setor deseja prosseguir. 

Pronto para tornar seus sonhos realidade?