Os transformadores são elementos essenciais, embora quase invisíveis, em nossa rede elétrica. Esses aparelhos ajudam a movimentar energia com eficiência por longas distâncias, mas são complexos e escassos. Como o design básico deles permanece praticamente inalterado há cerca de um século, uma atualização se faz necessária.
Enquanto o mundo corre para suprir a crescente demanda por eletricidade gerada por veículos elétricos, data centers e outras inovações, pesquisadores e empresas buscam modernizar esses equipamentos. Novas versões em estado sólido podem aliviar parte das preocupações com o fornecimento e garantir que a rede suporte a pressão crescente.
Os transformadores convencionais geralmente dependem de enormes quantidades de ligas de aço especializadas e quilômetros de fio de cobre para transferir eletricidade entre circuitos. Em comparação, os modelos de estado sólido combinam componentes magnéticos com semicondutores de alta potência, tornando-se mais compactos e permitindo maior controle sobre o fluxo de eletricidade.
A espinha dorsal da rede
Movimentar eletricidade pela rede não é totalmente eficiente: à medida que a corrente flui pelos cabos, parte dela se perde na forma de calor. A quantidade varia — quanto maior a voltagem, menor a corrente e menor a perda de eletricidade. Portanto, uma função fundamental da rede é elevar e reduzir a voltagem.
Considere, por exemplo, sua usina solar local. Para que essa eletricidade viaje com eficiência até sua casa, a centenas de quilômetros de distância, ela precisa atingir uma voltagem superior à gerada pelo parque solar. É aí que entram os transformadores.
No caminho da usina até as tomadas, a eletricidade pode passar por um transformador na fazenda solar e por outro em uma subestação próxima, elevando a voltagem duas vezes para alcançar um nível suficiente para trafegar em 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 meio de um inversor antes de fluir para um transformador. Mais perto do destino, a voltagem será reduzida novamente, provavelmente pelo menos duas vezes: uma em outra subestação e outra em um transformador menor no seu bairro.
Os transformadores convencionais realizam esse trabalho usando o que essencialmente equivale a bobinas de fio. O núcleo de um transformador é tipicamente 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 voltas em cada bobina determina a voltagem em cada extremidade do transformador: se houver mais voltas na bobina secundária do que na primária, a voltagem aumenta; se houver menos, ela diminui. Quando a eletricidade de entrada passa pelas voltas na extremidade inicial do transformador, isso forma um campo magnético no núcleo. Esse campo induz uma voltagem nas voltas do outro lado do dispositivo, permitindo que a energia continue fluindo em uma nova voltagem. Esse processo é chamado de indução magnética.
“Os transformadores formam a espinha dorsal da transmissão e distribuição de eletricidade”, afirma Srdjan Lukic, professor de engenharia elétrica e de computação na Universidade Estadual da Carolina do Norte. Além de elevar e reduzir a voltagem, os transformadores frequentemente fornecem o chamado isolamento galvânico, o que significa que não há caminho elétrico direto fluindo através deles. Isso ajuda a limitar a propagação de distúrbios na rede, melhorando a segurança.
O problema é que os transformadores atuais são grandes e volumosos, além de difíceis e caros de substituir, aponta Lukic.
Uma opção sólida
Os transformadores de estado sólido adicionam essencialmente 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 ativamente a frequência da corrente. Tipicamente, ele converte primeiro a energia CA de entrada da rede em energia CC e, em seguida, em uma energia CA de maior frequência usando chaves feitas de um semicondutor como o carbeto de silício.
A partir daí, um componente magnético altera a voltagem. 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 em um transformador convencional. Alguns chegam a ter cerca de um décimo do tamanho, mantendo a mesma capacidade, destaca Lukic.
Por fim, eletrônicos de potência adicionais convertem a eletricidade de CA de alta frequência para a forma necessária — geralmente voltando para energia CC e, finalmente, para CA de menor frequência.
Em agosto, a Autoridade de Energia de Nova York e o Instituto de Pesquisa de Energia Elétrica (EPRI) testaram um transformador de estado sólido de um megawatt sob condições reais de utilidade no local de testes do EPRI. O dispositivo foi construído no laboratório de Lukic, sendo o primeiro teste desse tipo para um transformador com essa capacidade, relata.
O protótipo apresentou uma eficiência de aproximadamente 98%, o que significa que perdeu apenas 2% da energia fornecida. Em comparação, um transformador convencional e um retificador equivalentes teriam juntos cerca de 96% de eficiência, calcula Lukic. Uma diferença de 2% pode parecer pequena, mas é significativa, pois indica que o transformador de estado sólido pode cortar pela metade as perdas de energia dos equipamentos convencionais.
Um dos principais objetivos do projeto era ajudar as concessionárias a ganhar mais confiança nesses novos componentes, diz Lukic. Isso é crucial, visto que esses dispositivos poderão ser utilizados na rede elétrica no futuro. No curto prazo, os transformadores de estado sólido podem ser empregados dentro de data centers para fornecer eletricidade a racks de servidores.
O protótipo ainda é um sistema de voltagem relativamente baixa, operando a cerca de 15.000 volts. Instalações industriais, como data centers maiores, frequentemente exigem conexões de alta voltagem, e as linhas de transmissão operam tipicamente a centenas de milhares de volts. Adaptar os transformadores de estado sólido a essas voltagens mais altas exigirá mais desenvolvimento de engenharia. No entanto, o teste demonstrou com sucesso que os transformadores de estado sólido podem funcionar sob condições reais, avalia Lukic.
As empresas que desenvolvem transformadores de estado sólido estão focadas principalmente em data centers no momento, observa Lukic. Há um influxo de recursos para apoiar o desenvolvimento da nova tecnologia, e os requisitos de voltagem não são tão elevados quanto serão para os transformadores maiores necessários para a transmissão de longa distância.
Em fevereiro, a Heron Power captou US$ 140 milhões para comercializar seu transformador de estado sólido, batizado de Heron Link. A tecnologia pode ser aplicada em data centers, matrizes de energia solar e baterias de rede, aponta Drew Baglino, fundador e CEO da empresa. A companhia está começando a testar sua tecnologia em escalas maiores agora. Dez megawatts-hora em baterias na sede da Heron em Scotts Valley, na Califórnia, passarão em breve por testes com transformadores da marca. A empresa também planeja um projeto piloto com uma fazenda solar próxima, relata Baglino.
Um dos desafios para os transformadores de estado sólido é que sua eletrônica de potência possui mais modos de falha do que os transformadores convencionais. Em um dispositivo tradicional, uma falha significa que todo o equipamento geralmente é desativado, resultando em interrupções de energia. Contudo, a Heron projeta seus aparelhos com isso em mente, explica Baglino: a empresa utiliza um design modular, com muitos dispositivos pequenos que trabalham juntos. Se um falhar, o restante do sistema continua funcionando até que a peça afetada possa ser substituída, sem a necessidade de desligar todo o conjunto.
A Heron Power está construindo atualmente uma fábrica de US$ 100 milhões na Califórnia para produzir transformadores avançados. A instalação deve iniciar a produção em 2027 e atingir sua capacidade máxima de 40 gigawatts em transformadores por ano em 2029.
O futuro da rede elétrica
Nos últimos anos, as empresas fabricantes de equipamentos para redes destinaram US$ 1,7 bilhão à cadeia de suprimentos dos Estados Unidos para transformadores de potência, utilizados na transmissão de alta tensão, aponta Benjamin Boucher, analista de cadeia de suprimentos da Wood Mackenzie. Houve um investimento adicional de US$ 1,3 bilhão para transformadores de distribuição, os dispositivos menores que ajudam a transformar energia para residências e empresas, acrescenta.
No entanto, nem mesmo esse investimento está acompanhando o rápido crescimento da rede. Os tempos de espera por grandes transformadores convencionais — do tipo necessário para conectar novas usinas, linhas de transmissão de longa distância e locais de alta demanda, como data centers — chegam a se estender por até cinco anos.
“Os transformadores tornaram-se um dos maiores gargalos para as concessionárias, desenvolvedores de geração e até mesmo para data centers”, resume Boucher. O grande desafio é que é difícil colocar a fabricação de novos transformadores em funcionamento, pois trata-se de um processo altamente técnico que exige muita mão de obra especializada. Portanto, mesmo instalações anunciadas anos atrás ainda levam anos para abrir, pontua Boucher.
Os transformadores de estado sólido podem ajudar a aliviar parte dessa pressão. Contudo, os dispositivos de alta voltagem necessários para conexões de usinas e linhas de transmissão representam o Santo Graal para os transformadores de estado sólido, ressalta Lukic. A tecnologia atual de estado sólido ainda não pode ser aplicada a essas finalidades, de modo que a indústria precisará desenvolver novos materiais e projetos para suportar altas voltagens e manipular eletricidade com segurança em um dispositivo compacto.
“Estamos enfrentando um grande risco relacionado à infraestrutura da rede”, alerta Boucher. “Sem os transformadores, você realmente não tem uma rede elétrica.”
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