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Ímãs permanentes para geração de energia

Mais forte, mais leve, mais verde

Uma nova tecnologia de ímã inventada no Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) poderia ajudar a conduzir a transição do país de veículos movidos a gás para energia elétrica e híbrida mais rapidamente, a um custo menor e de maneira mais ecológica. Chamada HyMag, a invenção pode beneficiar virtualmente qualquer tecnologia que retire energia de motores elétricos ou gere energia de geradores.

O primeiro inclui equipamentos e dispositivos movidos a bateria, como ferramentas elétricas, cadeiras de rodas, carrinhos de golfe e veículos elétricos e híbridos. Este último inclui energia de reserva para turbinas eólicas offshore e de negócios. Quando projetado adequadamente, o ganho na densidade de fluxo utilizável do ímã varia de 10 a 30%, dependendo da aplicação e das temperaturas de trabalho, disseram os inventores da HyMag, Kaizhong Gao e Yuepeng Zhang, da Argonne. “Essa eficiência adicional se traduzirá em mais energia produzida ou você terá menos perdas”, disse Gao, líder do grupo de Nanomateriais, Dispositivos e Sistemas da Argonne.

O HyMag poderia beneficiar especialmente uma aplicação sensível ao peso, como turbinas eólicas, porque a maior eficiência da tecnologia poderia levar a estruturas reduzidas. Ímãs mais fortes poderiam, por exemplo, reduzir a quantidade de materiais de sustentação de peso e suporte dos invólucros externos que ficam sobre as turbinas eólicas de acionamento direto. Os invólucros externos representam mais da metade do peso de uma torre eólica de 100 a 130 toneladas. Os invólucros menores poderiam ser projetados em torres mais altas, permitindo que as turbinas acessassem ventos mais fortes.

Mas mesmo sem um projeto otimizado, uma turbina eólica de seis megawatts que gere metade do tempo durante o ano poderia gerar mais três gigawatts de energia com um aumento de 10% na eficiência de seu gerador, segundo Gao e Zhang.

“Isso reduzirá o custo de energia de um parque eólico e atrairá mais compradores de energia eólica”, disse Gao.

Imas permanentes geração de energia
Imas permanentes geração de energia

A HyMag recebeu o prêmio 2018 R & D 100 por sua solução inovadora para aumentar a densidade de fluxo magnético utilizável. Patrocinado pela R & D Magazine, os prêmios reconhecem as 100 tecnologias mais inovadoras do ano passado.

A densidade de fluxo é uma propriedade de ímãs permanentes que podem ser aproveitados para geração de energia. “Quanto maior a densidade de fluxo que você usa para geração de energia, mais energia você gera”, disse Gao. “Você tem que ter maior densidade de fluxo para ter mais eficiência.”

Ímãs permanentes convencionais compostos de nióbio, ferro e boro tornaram-se industrialmente difundidos nos anos 90, mas resistiram a esforços significativos para melhorar seu desempenho, disse Zhang, um cientista de materiais de Argonne. Ímãs permanentes são uma classe de ímãs que retêm suas linhas de magnetização e fluxo depois de terem sido magnetizados, conceitualmente semelhantes a uma bateria com cargas elétricas.

“Nos últimos 15 a 20 anos, o aumento no produto de energia magnética atingiu um patamar devido à falta de solução material”, disse Zhang. Pesquisadores examinaram várias maneiras de melhorar a composição, microestruturas e processos de materiais magnéticos existentes. Cada um poderia levar a uma pequena melhoria do produto energético do imã. Por outro lado, o fluxo magnético de um ímã decai rapidamente com a distância, o que torna insuficiente a utilização do fluxo magnético.

Gao e Zhang melhoraram o desempenho do ímã permanente combinando camadas híbridas de material de maneira particular que reduz o vazamento de fluxo. Além disso, eles podem adaptar sua invenção a desafios específicos que o setor privado pode ter. “Se conhecermos o aplicativo, podemos adaptar as camadas para esse aplicativo”, disse Zhang. Em carros elétricos, por exemplo, a temperatura máxima permitida de um motor seria de cerca de 150 graus Celsius (302 graus Fahrenheit). Mas para as turbinas eólicas, a temperatura máxima pode ser de até 300 graus Celsius (572 graus Fahrenheit), o que exige um projeto de íman que seja mais robusto (não desmagnetizado) a temperaturas mais altas.

“Há materiais que realmente têm melhor desempenho em temperaturas mais altas”, disse Zhang. Outra característica interessante da tecnologia HyMag é que, para certas aplicações, ela pode exigir, em termos de composição, até 90% menos elementos pesados de terras raras, como disprósio e gadolínio, em peso, do que os ímãs comuns com desempenho similar. Esses elementos, em sua maioria importados da China, são escassos, caros e difíceis de reciclar. Mas os motores em carros elétricos e híbridos contêm aproximadamente um décimo de quilograma de disprósio por motor. Os representantes da indústria interessados em colaborar com Argonne no desenvolvimento dessa tecnologia para aplicações específicas, ou para obter informações sobre licenciamento, podem entrar em contato com partners @ anl.gov. Os escritórios do Departamento de Energia e Tecnologia de Energia Eólica e de Manufatura Avançada forneceram suporte para o desenvolvimento da tecnologia HyMag da Argonne.

Caroline Ramos