Um novo material de fibra de carbono poderá trazer benefícios em termos de custos e de desempenho para a indústria eólica se for desenvolvido comercialmente, de acordo com um estudo conduzido por investigadores dos Laboratórios Nacionais Sandia.
As pás eólicas que contêm fibra de carbono pesam menos 25% do que as fabricadas com materiais tradicionais de fibra de vidro. Isto significa que as pás de fibra de carbono podem ser mais longas do que as de fibra de vidro e, por conseguinte, captar mais energia em locais com pouco vento. A mudança para fibra de carbono pode também prolongar o tempo de vida das pás, uma vez que os materiais de fibra de carbono têm uma elevada resistência à fadiga, afirmou Brandon Ennis, investigador na área da energia eólica nos Laboratórios Sandia e investigador principal do projeto.
O projeto é financiado pelo Gabinete de Tecnologias de Energia Eólica do DOE, no Gabinete de Eficiência Energética e Energias Renováveis. Os parceiros do projeto incluem Oak Ridge National Laboratory e Montana State University.
De todas as empresas que produzem turbinas eólicas, apenas uma utiliza fibra de carbono Os materiais de fibra de carbono são amplamente utilizados nos seus projectos de pás. As pás das turbinas eólicas são as maiores estruturas compostas de uma só peça do mundo e a indústria eólica poderia representar o maior mercado de materiais de fibra de carbono em peso se estivesse disponível comercialmente um material que competisse em termos de custo-valor com os compósitos reforçados com fibra de vidro, afirmou Ennis.
O custo é a principal consideração durante a conceção dos componentes na indústria eólica, mas os fabricantes de turbinas também têm de construir pás que resistam às cargas de compressão e de fadiga que as pás sofrem à medida que rodam durante 30 anos.
Ennis e os seus colegas perguntaram-se se uma nova fibra de carbono de baixo custo desenvolvida no Laboratório Nacional de Oak Ridge poderia satisfazer as necessidades de desempenho e, ao mesmo tempo, trazer benefícios em termos de custos para a indústria eólica. Este material começa com um precursor amplamente disponível na indústria têxtil que contém feixes espessos de fibras acrílicas. O processo de fabrico, que aquece as fibras para as converter em carbono, é seguido de uma etapa intermédia que puxa a fibra de carbono para formar pranchas. O processo de pultrusão para fabrico de pranchas cria fibra de carbono com elevado desempenho e fiabilidade, necessários para o fabrico de lâminas, e permite também uma elevada capacidade de produção.
Quando a equipa de investigação estudou esta fibra de carbono de baixo custo, descobriu que tinha um desempenho melhor do que os materiais comerciais actuais em termos de propriedades específicas de custo de maior interesse para a indústria eólica.
O ORNL forneceu amostras de desenvolvimento de fibra de carbono da sua instalação de tecnologia de fibra de carbono e compósitos feitos com este material, bem como compósitos semelhantes feitos com fibra de carbono disponível no mercado para comparação.
Colegas da Montana State University mediram as propriedades mecânicas da nova fibra de carbono em comparação com a fibra de carbono disponível no mercado e com os compósitos de fibra de vidro padrão. De seguida, Ennis combinou estas medições com resultados de modelação de custos do ORNL. Utilizou esses dados numa análise de conceção de lâminas para avaliar o impacto no sistema da utilização da nova fibra de carbono, em vez da fibra de carbono ou fibra de vidro padrão, como principal suporte estrutural numa lâmina eólica. O estudo foi financiado pelo Gabinete de Tecnologias de Energia Eólica do Departamento de Energia dos EUA.
Ennis e os seus colegas descobriram que o novo material de fibra de carbono tinha 56% mais resistência à compressão por dólar do que a fibra de carbono disponível no mercado, que é a base de referência da indústria. Normalmente, os fabricantes acomodam uma menor resistência à compressão utilizando mais material para fazer um componente, o que aumenta os custos. Tendo em conta a maior resistência à compressão por custo da nova fibra de carbono, os cálculos de Ennis previram uma poupança de cerca de 40% nos custos de material para uma longarina, que é o principal componente estrutural de uma pá de turbina eólica, fabricada com a nova fibra de carbono em comparação com a fibra de carbono comercial.