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Desafios da Transição Energética: a relevância da Tribologia

06 dezembro 2023

Artigo de Carlos Fernandes, diretor da área de Tribologia, Vibrações e Manutenção Industrial do INEGI.


Desde a revolução industrial, o consumo global de energia tem aumentado significativamente atingindo cerca de 400 exajoules por ano. Tal como nos primórdios industriais, uma grande parte desta energia é obtida a partir de combustíveis fósseis, com consequências adversas para o ambiente. Por isso, a transição energética tornou-se um desafio global e crucial no século XXI. Com o objetivo de atingir a neutralidade carbónica em 2050, procuramos assim reduzir a nossa dependência nos combustíveis fósseis e implementar fontes de energia mais amigas do ambiente. A tribologia, ciência que estuda o atrito, o desgaste e a lubrificação desempenha um papel fundamental neste desígnio.

Como reduzir o desperdício de energia nos transportes com a tribologia?

Cerca de 30% de toda a energia produzida hoje é destinada ao setor dos transportes. E nos transportes terrestres mais comuns, como o carro ou o camião, cerca de um terço desta energia é desperdiçada por atrito ou desgaste dos componentes mecânicos. Outro terço destina-se ao  sistema de escape e o restante para arrefecimento e perdas por arrasto aerodinâmico.

Apesar da evidente relação entre atrito e perda de energia, pouca atenção tem sido dada aos efeitos do atrito e do desgaste no uso de energia e inerentes problemas ambientais. De acordo com Holmberg [1], anualmente são consumidos cerca de 200 000 milhões de litros de combustível apenas para vencer o atrito dos veículos. Atrito este que pode ser reduzido significativamente com novas soluções tribológicas baseadas não só em tratamentos de superfície, como também em lubrificantes inovadores e, até mesmo novos maquinismos pensados para maximizar a eficiência de uma determinada cadeia de movimento. Opções que resultariam numa redução do consumo de combustível e emissões de CO2.

Também os veículos elétricos têm cadeias de movimento lubrificadas, que são constituídas por veios, rolamentos e engrenagens, tal como num veículo com motor de combustão interna. Assim, se esta filosofia for aplicada a este tipo de veículos, resultará numa maior autonomia.

Um dos grandes pilares de atuação da Tribologia centra-se no estudo, quantificação e consequente proposta de estratégias para a minimização do atrito em máquinas. Ao longo dos últimos anos, a equipa de especialistas do INEGI tem demonstrado que é possível melhorar a eficiência de órgãos de máquinas atuando no binómio projeto/lubrificação de forma integrada, procurando assim otimizar a performance e a eficiência dos equipamentos [2, 3].

Estes resultados promissores têm sido explorados com os nossos parceiros empresariais, quer através do suporte ao desenvolvimento de novos lubrificantes ou na obtenção de geometrias de órgãos de máquinas mais eficientes em termos energéticos ou ainda na implementação de melhorias em sistemas existentes [4].

Ao minimizar as perdas por atrito, além de reduzir o consumo de energia, a temperatura de funcionamento do lubrificante e respetivos órgãos mecânicos diminui, contribuindo assim para reduzir também a probabilidade de avaria ou desgaste, bem como a oxidação do lubrificante. Obtemos assim uma redução efetiva das emissões de gases de efeito estufa, quer diretamente através da redução direta do dispêndio energético, ou indiretamente através do alargamento dos períodos de manutenção e menor necessidade de reposição de componentes avariados.

De que forma a tribologia contribui para a sustentabilidade e a redução de emissões?

Consideremos, por exemplo, os motores de combustão interna onde a otimização das superfícies de contato e a seleção adequada de lubrificantes podem melhorar significativamente a eficiência aumentando a potência disponível e reduzindo as emissões poluentes.

Também em turbinas eólicas, os componentes mecânicos estão sujeitos a condições adversas, como altas cargas e variações de velocidade e temperatura. A seleção adequada dos órgãos de máquinas, materiais, revestimentos e lubrificantes é essencial para garantir uma elevada eficiência e uma vida útil alargada.

Falando ainda de energias renováveis, podemos considerar também o hidrogénio, que tem sido apontado como uma alternativa promissora para a descarbonização da economia. No entanto, a utilização do hidrogénio como fonte de energia também apresenta desafios tribológicos específicos. O sistema de geração de energia é uma estrutura complicada que envolve muitos órgãos de máquinas que funcionam num ambiente de hidrogénio gasoso. A adsorção de moléculas de hidrogénio e a adsorção química de átomos dissociados nas superfícies metálicas provocam a formação de hidretos metálicos que causam danos e comprometem o comportamento tribológico dos órgãos mecânicos. Portanto, é importante estudar as propriedades tribológicas dos materiais utilizados nessas aplicações para fornecer uma orientação de projeto adequada [5].

A permeação de hidrogénio em borrachas e vedantes de polímeros é outro problema que leva à sua falha colocando em risco todo o sistema. Atributos tribológicos, como compatibilidade de materiais, lubrificação adequada ou controlo do desgaste, são essenciais para garantir a segurança e a eficiência das tecnologias baseadas em hidrogénio.

A interação entre órgãos de máquina lubrificados e hidrogénio causa ainda desafios adicionais no que à monitorização da condição diz respeito, não só ao nível dos parâmetros a avaliar, como também dos seus valores de referência e o que isso nos diz relativamente ao estado do lubrificante e do equipamento. Uma das técnicas que melhor se adequa à análise do estado de condição de maquinismos, independentemente do lubrificante e método de lubrificação é a ferrografia. Esta técnica, utilizada no INEGI, permite uma avaliação detalhada do desgaste presente nos componentes lubrificados baseando-se num estudo minucioso do tipo, tamanho e carácter das partículas de desgaste contidas no lubrificante.

Tendo em conta tudo isto, é certo que a tribologia desempenha um papel crucial na transição energética, tanto no combate ao atrito e desgaste em máquinas, quanto nas tecnologias relacionadas à utilização do hidrogénio como fonte de energia limpa.

Ao melhorar a eficiência energética e contribuir para a segurança e a durabilidade dos sistemas, a tribologia possibilita avanços significativos na redução das emissões de gases de efeito estufa e no desenvolvimento de fontes de energia mais sustentáveis. Portanto, esforços continuados em investigação e desenvolvimento tribológico são fundamentais para impulsionar a transição energética global.


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Referências

[1] Holmberg, K., Andersson, P., & Erdemir, a. (2012). Global energy consumption due to friction in passenger cars. Tribology International, 47(0), 221–234. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.triboint.2011.11.022

[2] Fernandes, C. M. C. G., Marques, P. M. T., Martins, R. C., & Seabra, J. H. O. (2015). Gearbox power loss. Part I: Losses in rolling bearings. Tribology International, 88(0), 298–308. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2014.11.017

[3] Fernandes, C. M. C. G., Marques, P. M. T., Martins, R. C., & Seabra, J. H. O. (2015). Gearbox power loss. Part II: Friction losses in gears. Tribology International, 88, 309–316. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2014.12.004

[4] Fernandes, C. M. C. G., Ferreira, R., Seabra, J. H. O., Cruz, J. M., & Bernardes, R. (2023). Testing and modelling of a 2.5 MW wind turbine gearbox: Influence of lubricant formulation. Forschung Im Ingenieurwesen/Engineering Research. https://doi.org/10.1007/s10010-023-00716-0

[5] Sawae, Y., & Sugimura, J. (2010). Tribology in gaseous hydrogen. Journal of the Vacuum Society of Japan, 53(4), 280-287. https://doi.org/10.3131/jvsj2.53.280

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