Turbinas Eólicas Sem Hélice: O Futuro da Energia Limpa

Pesquisadores da Universidade de Glasgow estão ativamente explorando maneiras de aumentar a potência das turbinas eólicas sem hélice (BWTs). Para isso, eles fornecem insights derivados de simulações computacionais¹ dessas turbinas, identificando os projetos mais eficientes para modelos futuros.

The researchers said:

“Os resultados podem ajudar a indústria de renováveis a levar as BWTs, que ainda estão em estágio inicial de pesquisa e desenvolvimento, de experimentos de campo em pequena escala para formas práticas de geração de energia para redes elétricas nacionais.” 

As turbinas eólicas sem hélice são uma forma em desenvolvimento de geração de energia eólica que está sendo investigada principalmente por pesquisadores. No entanto, elas estão rapidamente chamando a atenção, com seu mercado crescendo tão rapidamente quanto.

Em 2022, o tamanho do mercado global de turbinas eólicas sem hélice foi avaliado em cerca de US$ 60,5 bilhões e projeta‑se que ultrapasse US$ 116 bilhões até 2030, impulsionado pela crescente demanda por energia renovável em todo o mundo.

Ao contrário das turbinas eólicas convencionais, as turbinas eólicas sem hélice (BWTs) são mais silenciosas e ocupam menos espaço. Elas também se adaptam mais rapidamente às mudanças na direção do vento, tornando‑as muito úteis em ambientes urbanos com ventos turbulentos.

Outra grande vantagem das BWTs é que elas reduzem o impacto ambiental, especialmente em relação à vida selvagem. Para as aves, turbinas com pás aumentam o risco de colisões, pois as pás girando rapidamente podem parecer um borrão ou ser invisíveis. As turbinas sem hélice se movem significativamente menos, permitindo que animais como aves as evitem com mais facilidade. 

The low weight and lower center of gravity of BWTs, meanwhile, reduce the need for foundation, in turn, simplifying the installation of bladeless turbines.

O design mais simples dessas turbinas também requer menos manutenção do que turbinas normais, aumentando assim sua vida útil.

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O Que São Turbinas Eólicas Sem Hélice e Como Elas Funcionam?

Derivada de recursos naturais que se renovam, a energia renovável é fundamental para a transição para sistemas energéticos menos intensivos em carbono e mais sustentáveis.

Fontes de energia renovável incluem vento, luz solar, chuva, ondas, marés, energia térmica e biomassa. Esses recursos são críticos não apenas para reduzir nossa dependência de combustíveis fósseis, mas também para mitigar as mudanças climáticas. 

Entre as fontes de energia renovável, a energia eólica é uma fonte que cresce rapidamente. Em 2024, renováveis e nuclear juntos forneceram quase 41% da geração mundial de eletricidade. Entre as renováveis, a solar teve a maior contribuição, seguida pela geração eólica, que cresceu para 8,1% da eletricidade global.

De acordo com a Agência Internacional de Energia (IEA), energia solar fotovoltaica e eólica devem representar 95% de todas as adições de capacidade renovável até 2030.

Para aproveitar a energia eólica, normalmente são usadas turbinas eólicas, que convertem a energia mecânica do vento em energia elétrica. No entanto, uma forma alternativa de utilizar a energia eólica é por meio de projetos de captura de energia baseados na vibração aeroelástica de estruturas flexíveis. 

Nas últimas duas décadas, a captura de energia aeroelástica tem ganhado muita atenção, com foco particular na vibração induzida por vórtices (VIV) de corpos volumosos que são cilíndricos. A tecnologia VIV tem despertado interesse substancial, levando a várias modelagens numéricas e pesquisas experimentais.

A vibração induzida por vórtices é impulsionada pela liberação alternada de vórtices de cada lado de corpos volumosos. Isso gera forças regulares de sustentação e arrasto, bem como grandes oscilações transversais nas estruturas. 

Quando a frequência de liberação dos vórtices coincide com a frequência natural da estrutura, isso leva a um movimento instável e oscilações de amplitude muito grande. Esse comportamento é bem conhecido como fenômeno de lock‑in.

Um conceito inovador para aproveitar a energia eólica aproveitando as oscilações de alta amplitude das estruturas na presença de VIV e lock‑in são as turbinas eólicas sem hélice (BWT).

Uma BWT comporta‑se efetivamente como um corpo volumoso colocado em um fluxo de fluido que cria vórtices ao iniciar a separação do fluxo de sua superfície. Dessa forma, a BWT demonstra enorme potencial de produção de energia dentro de uma faixa específica de velocidades do vento. Assim, projetar turbinas sem hélice com maior magnitude de oscilação pode aumentar sua produção de energia, bem como a faixa de velocidade do vento operacional simultaneamente.

Dado o potencial das BWTs na extração de energia renovável, esforços para aproveitar VIV para geração de eletricidade estão sendo feitos em escalas de baixa produção, de 1 a 100 W.

Estudos também foram realizados para avaliar a relação entre a produção de energia das BWTs e variáveis de projeto como comprimento do mastro, peso e velocidade do vento. Além disso, a pesquisa está explorando a faixa de velocidade do vento operacional das BWTs por meio de um sistema de sintonia. Mas ainda não temos clareza sobre a eficiência das turbinas eólicas sem hélice.

Como o vento não é um recurso finito, é importante determinar se a eficiência máxima resulta na máxima produção de energia das BWTs. 

Entretanto, ainda não se sabe se a potência de saída pode ser aumentada para uma potência de vento de entrada constante. Também há escassez de modelagem de interação fluido‑estrutura de turbinas eólicas sem hélice, que poderia ser usada facilmente para explorar os parâmetros dessas turbinas e obter respostas sobre sua eficiência. 

Portanto, o estudo mais recente de pesquisadores da Universidade de Glasgow visa ajudar a acelerar iniciativas em andamento para ampliar os modelos existentes de BWT, que atualmente são de pequena escala, para aplicações de maior escala em locais offshore. 

Esta pesquisa aborda questões sobre a eficiência e produção de energia das turbinas eólicas sem hélice ao desenvolver um modelo numérico simples para examinar o mecanismo físico das VIVs devido às BWTs. Os pesquisadores forneceram uma estrutura analítica abrangente, que enfrenta o desafio crítico de otimizar as BWTs para máxima extração de energia mantendo a integridade estrutural. 

As Turbinas Eólicas Sem Hélice Podem Competir com as Tradicionais?

Turbinas eólicas convencionais com pás têm sido um método popular de converter vento em eletricidade por muito tempo. Essas turbinas convertem diretamente a energia cinética do vento em movimento rotacional das pás, que então alimenta um gerador para produzir eletricidade.

Turbinas eólicas sem hélice, ou BWTs, funcionam com um princípio diferente das turbinas com pás. O princípio central aqui é VIV, e em vez de pás, essas turbinas utilizam mastros altos, esguios e cilíndricos que vibram ou balançam ao vento. 

Para construir turbinas eólicas sem hélice (BWTs) com máxima eficiência, a equipe de pesquisadores da Universidade de Glasgow realizou simulações de designs de BWT na ordem de milhares.

Isso permitiu que encontrassem o ponto mais ótimo que maximiza a geração de energia sem afetar negativamente a resistência da estrutura. Segundo o Dr. Wrik Mallik, da James Watt School of Engineering:

“O que este estudo mostra pela primeira vez é que, contra‑intuitivamente, a estrutura com maior eficiência para extrair energia não é, de fato, a estrutura que fornece a maior produção de energia. Em vez disso, identificamos o ponto médio ideal entre as variáveis de projeto para maximizar a capacidade das BWTs de gerar energia enquanto mantêm sua resistência estrutural.”

Os resultados do estudo fornecem insights sobre como as dimensões do mastro, incluindo largura e altura, influenciam não apenas a quantidade de energia produzida, mas também a integridade estrutural dessas turbinas.

Isso revelou um trade‑off que não era conhecido anteriormente, que é que, ao aumentar o diâmetro do mastro, tanto a eficiência quanto a extração de energia aumentam, porém a eficiência máxima de 6 % e a potência máxima de 600 W são alcançadas por meio de configurações geométricas distintas. 

Entretanto, configurações otimizadas apenas para produção de energia tendem a ultrapassar os limites de segurança estrutural, enquanto aquelas que maximizam a eficiência fornecem geração de energia subótima. 

Portanto, o design ideal é um mastro de 31,4 polegadas ou 80 centímetros com diâmetro de 25,4 polegadas ou 65 centímetros, conforme os achados do estudo publicados em Renewable Energy.

Tal equilíbrio ótimo de potência e robustez é capaz de entregar com segurança impressionantes 460 watts de energia, desempenho superior aos protótipos reais atuais que chegam a cerca de 100 watts. 

“No futuro, as BWTs podem desempenhar um papel inestimável na geração de energia eólica em ambientes urbanos, onde turbinas eólicas convencionais são menos úteis.”

– Dr. Malik

Os achados do estudo podem desempenhar um papel importante em garantir a segurança da estrutura em ventos na faixa de 20 a 70 milhas por hora (mph). Segundo os pesquisadores, sua metodologia poderia permitir a ampliação das turbinas eólicas sem hélice para gerar 1.000 watts (1 kilowatt) ou mais.

Com esta pesquisa, a ideia é incentivar a indústria a desenvolver novos protótipos de turbinas eólicas sem hélice (BWTs) demonstrando claramente o design mais eficiente para BWTs.

“Remover parte da incerteza envolvida no refinamento de protótipos poderia ajudar a aproximar as BWTs de se tornarem uma parte mais útil da caixa de ferramentas mundial para alcançar a neutralidade de carbono por meio de renováveis.” 

– Professor Sondipon Adhikari, James Watt School of Engineering

De acordo com Adhikari, os engenheiros planejam continuar refinando sua compreensão do design das BWTs e como podem escalar a tecnologia para fornecer energia em uma ampla gama de aplicações.

Eles também estão “ansiosos” para explorar materiais especialmente projetados chamados metamateriais, que são finamente ajustados para conferir propriedades que não são encontradas na natureza, no que diz respeito a como podem “impulsionar a eficácia das BWTs nos próximos anos.”

Novos Designs e Materiais para a Próxima Geração de BWTs

Em outro estudo², conduzido por pesquisadores da Universidade de Alexandria no início deste ano, foram introduzidos dois novos mecanismos para projetar BWTs a fim de contornar limitações operacionais das turbinas eólicas sem hélice, criadas pelo fenômeno de lock‑in, que as limita a uma pequena faixa próxima à frequência natural estrutural. 

Os mecanismos introduzidos foram o mecanismo de massa de sintonia e o mecanismo de sintonia elástica, permitindo operação em uma ampla faixa de velocidade do vento de 2 a 10 m/s.

Os resultados do estudo também revelam que utilizar a massa equivalente da unidade do mastro e o momento de inércia polar na extremidade livre da viga em balanço é importante no projeto da turbina e para garantir que ela atenda às condições de lock‑in.

O objetivo do estudo é manter o desempenho ideal controlando a frequência natural da turbina por meio da implementação dos mecanismos.

Um modelo matemático também foi construído para ajustar a frequência natural de modo a coincidir com a frequência de liberação na velocidade do vento especificada. A validação do modelo mostrou alta precisão. 

O primeiro mecanismo pode alcançar um aumento de 99,2 % na eficiência mecânica a 7 m/s, mas para obter valores mais altos de módulo flexural ou de flexão, o segundo mecanismo deve ser incorporado para reduzir o tamanho geral da turbina. A abordagem unificada aumenta a eficiência em 55,7 %.

Além dos mecanismos de sintonia, a escolha de materiais adequados para os componentes flexíveis da turbina é crítica, conforme o estudo, para garantir força e desempenho adequados, pois afetam a rigidez geral da estrutura. Assim, influenciam a frequência natural da estrutura, o que, por sua vez, afeta todo o desempenho das BWTs. 

O estudo relatou que fibras de carbono e de vidro são os melhores materiais para a fabricação dos componentes principais das BWTs.

As propriedades mecânicas dos materiais compósitos, o estudo acrescentou, podem ser controladas alterando seus parâmetros de fabricação, como o número de camadas e sua orientação, permitindo personalizar a resistência, rigidez e outras características para atender a requisitos específicos de diferentes aplicações. 

Embora ainda esteja em seus estágios iniciais de desenvolvimento e limitada a ambientes experimentais e laboratoriais, a tecnologia também começou a mostrar sinais de aplicação no mundo real. 

No final do ano passado, o Grupo BMW iniciou testes para a unidade de energia eólica sem hélice. O fabricante alemão instalou a unidade de energia eólica sem hélice da Aeromine Technologies em sua fábrica de produção do MINI em Oxford.

Esta fábrica servirá como um local de teste para a tecnologia, envolvendo a avaliação do potencial da unidade em melhorar a eficiência energética nos sites da empresa ao redor do globo e nos complexos empresariais no Reino Unido.

A unidade de energia eólica da Aeromine está instalada na borda de um edifício, direcionada ao vento. Os aerofólios verticais da unidade, semelhantes a asas, criam um efeito de vácuo, extraindo ar por trás de uma hélice interna para gerar eletricidade limpa e verde.

“Nossa tecnologia de energia eólica ‘sem movimento’ foi projetada para funcionar perfeitamente ao lado de sistemas solares, maximizando a produção de energia renovável em telhados enquanto ajuda a enfrentar desafios como ruído, vibrações e impacto na vida selvagem. Estamos entusiasmados para ver como esta instalação inicial pode levar a aplicações mais amplas nas instalações globais da BMW.”

– Claus Lønborg, diretor executivo da Aeromine Technologies.

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Investindo em Energia Eólica

No setor de energia eólica, General Electric (GE.TO ) (GE ) é um dos maiores fabricantes de turbinas eólicas através de sua subsidiária GE Vernova (GEV ), uma empresa global de energia que projeta, fabrica e entrega tecnologias para criar um sistema elétrico sustentável. Seus segmentos incluem Power, com foco em hidro, gás, vapor e nuclear; Wind, envolvendo turbinas eólicas onshore e offshore e pás; e Electrification, abrangendo conversão de energia, soluções de rede, solar e armazenamento.

A empresa possui cerca de 120 gigawatts (GW) de energia instalados em sua frota de 57.000 turbinas eólicas que operam mais de 4 bilhões de horas ao redor do mundo.

GE Vernova (GEV ) 

Com uma capitalização de mercado de US$ 132,9 bilhões, as ações da GEV estão atualmente sendo negociadas a US$ 486, com alta de mais de 48 % no ano. Possui um EPS (TTM) de 6,94 e um P/E (TTM) de 70,18, enquanto o dividend yield oferecido é de 0,21 %.

Em abril, a empresa divulgou seus resultados financeiros do primeiro trimestre de 2025, que revelaram receita de US$ 8 bilhões, lucro líquido de US$ 0,3 bilhão e US$ 1,2 bilhão de caixa proveniente de atividades operacionais. A GE Vernova também registrou um aumento de 8 % nos pedidos, totalizando US$ 10,2 bilhões.

O saldo de caixa ao final do trimestre foi de US$ 8,1 bilhões. Enquanto isso, US$ 1,3 bilhão foram devolvidos aos acionistas.

“Entregamos resultados fortes no primeiro trimestre e nossos negócios continuaram a executar bem. Aumentamos nosso backlog de equipamentos e serviços, melhoramos significativamente as margens em cada segmento e estamos devolvendo uma quantidade significativa de capital aos acionistas. Estou empolgado com o que está por vir, pois estamos apenas no início do superciclo de investimento em eletricidade.”

– CEO Scott Strazik

O negócio de energia eólica da GE Vernova, porém, mostrou desempenho misto, enfrentando desafios na energia eólica offshore enquanto a atividade onshore registra crescimento.

Como resultado, a entrega onshore aumentou, apoiada por preços melhores, enquanto suas operações offshore experimentaram contração. Mas, embora o segmento de energia eólica permanecesse deficitário, está mostrando sinais de melhora. 

Os pedidos de energia eólica da GE Vernova chegaram a US$ 0,6 bilhão, enquanto a receita registrada foi de US$ 1,8 bilhão. A empresa também investiu mais de US$ 100 milhões durante o período para melhorar o desempenho de sua frota.

No mês passado, a GE Vernova anunciou que agora está aproveitando o poder da robótica e IA para inspecionar a qualidade de cada pá que fabrica, bem como a qualidade das matérias‑primas antes da modelagem e montagem. A longo prazo, a capacidade de qualidade habilitada por IA deve melhorar a vida útil dos componentes críticos e, consequentemente, a longevidade das turbinas.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da GE Vernova (GEV)

Considerações Finais: As Turbinas Eólicas Sem Hélice são o Futuro?

Turbinas eólicas convencionais são essenciais para a captura eficiente da energia do vento, mas apresentam algumas desvantagens graves e inerentes, como altos custos iniciais, poluição sonora, manutenção regular, impactos visuais e ambientais, limitações de construção em áreas urbanas e operação eficiente apenas em altas velocidades de vento.

Todos esses fatores impulsionaram o desenvolvimento de tecnologias alternativas, com as turbinas eólicas sem hélice (BWTs) representando um capítulo emergente e empolgante na tecnologia de energia renovável. 

Nas BWTs, o movimento do vento gera vórtices, fazendo toda a estrutura oscilar, e quando o movimento de balanço coincide com a frequência natural de vibração da estrutura, o movimento se amplifica dramaticamente. Esse movimento ou vibração aprimorada é então convertida em eletricidade. Embora poderosa, a tecnologia ainda está em estágios iniciais de desenvolvimento. 

Com pesquisadores otimizando designs que podem alcançar maiores produções e maior integridade estrutural, as BWTs podem finalmente se tornar adições valiosas aos portfólios de energia. 

À medida que a demanda por energia limpa continua a crescer e a pesquisa em andamento ajuda a escalar a inovação para soluções comercialmente viáveis, poderemos acelerar nossa jornada rumo a um futuro neutro em carbono.

Clique aqui para uma lista das principais ações de energia eólica.

Estudos Referenciados:

1. Breen, J.; Mallik, W.; Adhikari, S. Performance Analysis and Geometric Optimization of Bladeless Wind Turbines Using Wake Oscillator Model. Renew. Energy 2025, 215, 123549. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123549

2. Mohamed, Z.; Soliman, M.; Feteha, M.; et al. A Novel Optimal Design Approach for Bladeless Wind Turbines Considering Mechanical Properties of Composite Materials Used. Sci. Rep. 2025, 15, 1355. https://doi.org/10.1038/s41598-024-82385-9