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Os transformadores são uma parte crucial, mas quase invisível, da nossa rede elétrica. Esses dispositivos ajudam a transportar energia com eficiência por longas distâncias, mas são complexos e estão em falta. E, como seu projeto básico não mudou muito em cerca de um século, uma atualização seria bem-vinda.
À medida que o mundo corre para atender à crescente demanda por eletricidade de veículos, data centers e outros setores, pesquisadores e empresas buscam modernizar os transformadores. Novas versões de estado sólido poderiam ajudar a aliviar algumas das preocupações com o abastecimento desses equipamentos e garantir que a rede elétrica consiga lidar com a pressão crescente.
Os transformadores convencionais geralmente dependem de enormes quantidades de ligas especiais de aço e de quilômetros de fio de cobre para transferir eletricidade entre circuitos. Os modelos de estado sólido, em comparação, combinam componentes magnéticos com semicondutores de alta potência, o que os torna mais compactos e permite maior controle sobre o fluxo de eletricidade.
Esses dispositivos ainda estão em desenvolvimento e, por enquanto, não podem substituir todos os transformadores tradicionais, especialmente os maiores, que operam nas altas tensões necessárias para a transmissão a longas distâncias. Mas uma nova geração de tecnologia de transformadores poderia ser uma parte crucial da nossa futura rede elétrica.
A espinha dorsal da rede elétrica
O transporte de eletricidade pela rede não é perfeitamente eficiente: à medida que ela flui pelas linhas de transmissão, parte se perde na forma de calor. A quantidade varia: quanto maior a tensão, menor a corrente e menor a perda de eletricidade. Por isso, uma função essencial para a rede elétrica é elevar e reduzir a tensão.
Considere, por exemplo, uma usina solar da sua região. Para que essa eletricidade chegue com eficiência à sua casa, a centenas de quilômetros de distância, ela precisa atingir uma tensão maior do que a gerada pela usina. É aí que entram os transformadores.
No caminho da usina até as tomadas da sua casa, a eletricidade pode passar por um transformador na usina solar e por outro em uma subestação próxima, com a tensão elevada duas vezes até atingir um nível suficiente para percorrer as linhas de transmissão de alta tensão. Os painéis solares também produzem eletricidade em corrente contínua (CC), que precisa ser convertida em corrente alternada (CA) por um inversor antes de passar por um transformador. Mais perto do destino, a tensão será reduzida novamente, provavelmente pelo menos duas vezes: uma em outra subestação e outra em um transformador menor no seu bairro.
Nos Estados Unidos, a eletricidade de uma usina solar pode ser convertida em corrente alternada por um inversor a cerca de 480 volts, ter sua tensão elevada para 115.000 volts para percorrer as linhas de transmissão e, por fim, reduzida novamente para 120 volts e 240 volts para abastecer sua casa.
Os transformadores convencionais fazem esse trabalho com o que, essencialmente, são espiras de fio. O núcleo de um transformador costuma ser feito de um tipo especial de aço chamado aço elétrico de grão orientado. Bobinas de fio de cobre ficam em cada extremidade desse núcleo.
O número de espirais em cada bobina determina a tensão em cada lado do transformador: se houver mais espiras na bobina secundária do que na primária, a tensão aumenta; se houver menos, ela diminui. Quando a eletricidade que chega passa pelas espiras no lado de entrada do transformador, forma-se um campo magnético no núcleo. Esse campo induz uma tensão nas espiras do outro lado do dispositivo, o que permite que a energia continue a fluir sob uma nova tensão. Esse processo é chamado de indução magnética.
Os transformadores formam a espinha dorsal da transmissão e da distribuição de eletricidade, afirma Srdjan Lukic, professor de engenharia elétrica e de computação da Universidade Estadual da Carolina do Norte, nos Estados Unidos. Além de elevar e reduzir a tensão, os transformadores também costumam oferecer o chamado isolamento galvânico, o que significa que não há um caminho elétrico direto através deles. Isso pode ajudar a limitar a propagação de perturbações pela rede elétrica e aumentar a segurança.
O problema é que os transformadores atuais são grandes e volumosos, além de serem difíceis e caros de substituir, afirma Lukic.
Uma opção sólida
Os transformadores de estado sólido basicamente acrescentam a chamada eletrônica de potência, semicondutores que convertem e controlam a eletricidade, ao projeto típico dos transformadores atuais.
Enquanto um transformador convencional opera na frequência da parte da rede à qual está conectado, um transformador de estado sólido controla a frequência da corrente. Normalmente, ele primeiro converte a energia em corrente alternada que chega da rede em corrente contínua e, depois, em alternada de frequência mais alta, por meio de interruptores feitos de um semicondutor como o carbeto de silício.
A partir daí, um componente magnético altera a tensão. Como os semicondutores avançados permitem que os transformadores exerçam tanto controle sobre a frequência e a estabilidade da corrente, o núcleo magnético pode ser muito menor do que o de um transformador convencional. Alguns têm cerca de um décimo do tamanho, mas a mesma capacidade, afirma Lukic.
Por fim, componentes adicionais de eletrônica de potência convertem a eletricidade de corrente alternada de alta frequência para a forma necessária, geralmente de volta para corrente contínua e, finalmente, para corrente alternada de frequência mais baixa.
Hoje, elevar e reduzir a tensão é a única função de muitos transformadores. Mas os transformadores de estado sólido podem fazer muito mais. Eles incorporam as funções de dispositivos como retificadores e inversores, que convertem corrente alternada em corrente contínua e vice-versa, o que reduz o espaço total ocupado pelos equipamentos elétricos e, potencialmente, a quantidade de energia perdida no sistema.
Em agosto, a New York Power Autohority (Autoridade de Energia de Nova York) e o Electric Power Research Institute (Instituto de Pesquisa de Energia Elétrica) testaram um transformador de estado sólido de um megawatt em condições realistas de operação de uma concessionária, nas instalações de testes do EPRI. O dispositivo foi construído no laboratório de Lukic e, segundo ele, esse foi o primeiro teste desse tipo com um transformador dessa capacidade.
O protótipo apresentou eficiência de aproximadamente 98%, o que significa que perdeu apenas 2% da energia recebida. Em comparação, um transformador convencional e um retificador equivalentes teriam, juntos, eficiência de cerca de 96%, afirma Lukic. Uma diferença de 2% pode parecer pequena, mas é significativa, pois indica que o transformador de estado sólido poderia reduzir pela metade as perdas de energia dos equipamentos convencionais, explica.
Um dos principais objetivos do projeto era ajudar as concessionárias a ganhar mais confiança nesses novos componentes, afirma Lukic. Isso é crucial, já que esses dispositivos poderiam ser usados na rede elétrica no futuro. No curto prazo, os transformadores de estado sólido poderiam ser usados em data centers para fornecer eletricidade aos racks de servidores.
O protótipo ainda é um sistema de tensão relativamente baixa, que opera a cerca de 15 mil volts. Instalações industriais, como data centers maiores, frequentemente exigem conexões de tensão mais alta, e as linhas de transmissão normalmente operam a centenas de milhares de volts. Adaptar os transformadores de estado sólido a essas tensões mais altas exigirá avanços adicionais de engenharia. Mas o teste demonstrou com sucesso que esses transformadores podem funcionar em condições reais, afirma Lukic.
As empresas que desenvolvem transformadores de estado sólido estão, em grande parte, concentradas em data centers neste momento, segundo Lukic. Há um fluxo de recursos para apoiar o desenvolvimento da nova tecnologia, e as exigências de tensão não são tão altas quanto serão para os transformadores maiores necessários à transmissão a longas distâncias.
Em fevereiro, a Heron Power captou 140 milhões de dólares para comercializar seu transformador de estado sólido, que a empresa chama de Heron Link. A tecnologia poderia ser usada em data centers, instalações de energia solar e baterias conectadas à rede elétrica, afirma Drew Baglino, fundador e CEO. A empresa começa agora a testar sua tecnologia em escalas maiores, diz Baglino. Baterias com capacidade total de dez megawatts-hora na sede da Heron, em Scotts Valley, na Califórnia, passarão em breve por testes com os transformadores da empresa. A companhia também planeja um projeto-piloto com uma usina solar próxima, afirma Baglino.
Um dos desafios dos transformadores de estado sólido é que seus componentes de eletrônica de potência estão sujeitos a mais tipos de falha do que os transformadores convencionais. Em um dispositivo tradicional, uma falha normalmente exige que todo o equipamento seja retirado de operação, o que provoca interrupções no fornecimento de energia. Mas a Heron leva isso em conta em seus projetos, diz Baglino: a empresa adota um projeto modular, com muitos dispositivos pequenos que trabalham em conjunto. Se um deles falhar, o restante do sistema continua a funcionar até que a parte afetada possa ser substituída, sem a necessidade de desligar todo o conjunto.
A Heron Power está construindo uma fábrica de 100 milhões de dólares na Califórnia para produzir transformadores avançados. A unidade deve iniciar a produção em 2027 e atingir sua capacidade máxima, equivalente a 40 gigawatts em transformadores por ano, em 2029.
O futuro da rede elétrica
Nos últimos anos, fabricantes de equipamentos para a rede elétrica investiram 1,7 bilhão de dólares na cadeia de suprimentos dos Estados Unidos para transformadores de potência, usados na transmissão de alta tensão, afirma Benjamin Boucher, analista de cadeias de suprimentos da Wood Mackenzie. Outros 1,3 bilhão foram investidos em transformadores de distribuição, dispositivos menores que ajudam a adequar a eletricidade para residências e empresas, acrescenta.
Mas nem mesmo esses investimentos acompanham o rápido crescimento da rede elétrica. Os prazos de espera por grandes transformadores convencionais, do tipo necessário para conectar novas usinas, linhas de transmissão de longa distância e instalações de alta demanda, como data centers, chegam a cinco anos.
“Os transformadores se tornaram um dos maiores gargalos para concessionárias, desenvolvedores de projetos de geração de energia e até mesmo data centers”, afirma Boucher. O grande desafio é que colocar novas fábricas de transformadores em operação é difícil, pois a fabricação é um processo bastante técnico, que exige muita mão de obra especializada. Por isso, mesmo instalações anunciadas anos atrás ainda levarão anos para abrir, diz Boucher.
Os transformadores de estado sólido poderiam ajudar a aliviar parte dessa pressão. Mas os dispositivos de alta tensão necessários para conectar usinas e linhas de transmissão são o santo graal dos transformadores de estado sólido, afirma Lukic. A tecnologia de estado sólido existente ainda não pode ser usada nessas aplicações, de modo que o setor precisará desenvolver novos materiais e projetos capazes de suportar altas tensões e lidar com a eletricidade com segurança em um dispositivo compacto.
“Enfrentamos um grande risco relacionado à infraestrutura da rede elétrica”, afirma Boucher. “Sem os transformadores, não há, de fato, uma rede elétrica.”
Casey Crownhart
