Diretamente do sol para a máquina de injeção

Os sistemas fotovoltaicos já não são uma raridade nos telhados das empresas industriais. Os elevados preços da energia, as restrições de compra e a instabilidade da rede em alguns países e regiões tornam lucrativa a independência do mercado da eletricidade. Especialmente porque a utilização de energias renováveis também contribui para os objetivos de sustentabilidade. No entanto, existe ainda um grande potencial inexplorado para a utilização eficiente das energias renováveis. Juntamente com o seu parceiro inesco AG, a Wittmann está a ajudar as empresas de moldagem por injeção a explorar este potencial. A chave é utilizar a corrente contínua como fonte de energia direta.

Em 2022, durante a feira K, na Alemanha, os visitantes do stand da Wittmann, representada em Portugal pela Tecnofrias, assistiram a uma revolução: uma célula de produção de moldagem por injeção esteve a fabricar peças eletrónicas a partir de uma poliamida retardante de chama, posteriormente integradas em apelativos painéis solares. Esta apresentação resultou de um estudo conceptual desenvolvido pela Wittmann em colaboração com um cliente. Apoiados pela infraestrutura adequada, a máquina de moldagem por injeção e o robô foram alimentados diretamente por energia solar através de uma ligação CC. As duas empresas parceiras registaram conjuntamente uma patente para este desenvolvimento.

Um ano depois, na Fakuma 2023, a Wittmann voltou a apresentar uma célula de produção alimentada diretamente por corrente contínua (CC) a partir de energia solar. Já não se trata de um estudo conceptual, mas de uma solução pronta a ser produzida, incluindo armazenamento de energia solar. A Wittmann juntou-se a outra empresa parceira com o objetivo de industrializar e comercializar a tecnologia de moldagem por injeção CC. A empresa parceira, que opera sob o nome de inesco AG desde o outono de 2024, trabalha há mais de dez anos na questão de como a energia renovável pode ser utilizada de forma sensata e armazenada de forma eficiente em grande escala.

Esta apresentação na Fakuma 2023 foi apenas o ponto de partida. Atualmente, a indústria de moldagem por injeção está muito interessada na utilização direta da energia solar através de redes de corrente contínua. Por isso, a Wittmann e a inesco estão a avaliar e a processar uma série de pedidos de informação para projetos específicos. Segundo a empresa, as primeiras máquinas de injeção com capacidade de corrente contínua já foram vendidas.

A Wittmann foi pioneira na tecnologia CC na indústria de moldagem por injeção. É o primeiro fornecedor a oferecer aos fabricantes de peças por injeção máquinas e células de produção que podem utilizar energia solar diretamente de uma rede de corrente contínua.

Tal como outros tipos de energia renovável, como a produzida em parques eólicos e centrais de biogás, a energia solar é de corrente contínua (CC). No entanto, as redes elétricas nacionais utilizam corrente alternada (CA). Para poder utilizar as energias alternativas, estas têm de ser convertidas em CA. A CC é convertida em CA para transporte e distribuição e, em alguns casos, a CA é convertida novamente em CC no consumidor, muitos dos quais trabalham com CC. Os inversores utilizados são principalmente conversores de frequência, que permitem variar infinitamente a velocidade dos motores elétricos, responsáveis por 70% do consumo de eletricidade em ambientes industriais. Outros exemplos de consumidores de corrente contínua são os computadores, os televisores, as lâmpadas LED e os veículos elétricos.

Tanto na produção industrial como na vida quotidiana, a corrente contínua está constantemente a ser transformada em corrente alternada e vice-versa. Em cada conversão, há uma perda de energia de 2 a 4%. Este facto reduz a eficiência energética das aplicações. Foi esta consideração que motivou a ideia de tornar a corrente contínua diretamente utilizável através de redes descentralizadas de corrente contínua, as chamadas microrrede de corrente contínua, sem a converter previamente em corrente alternada.

Para além da poupança de energia e da menor pegada de carbono associada, existem outras motivações para explorar as possibilidades oferecidas pela tecnologia de corrente contínua. Antes de mais, a segurança do aprovisionamento. O aumento do consumo de eletricidade devido, entre outras coisas, à proliferação de veículos elétricos e bombas de calor, bem como à eletrificação progressiva da produção industrial, está a colocar uma carga cada vez maior nas redes elétricas existentes, que muitas vezes não se expandem em conformidade com o desenvolvimento. Esta situação é agravada pelo rápido aumento da energia solar injetada, que exerce uma pressão adicional sobre as redes e as torna mais instáveis. De acordo com os especialistas, mesmo os países com um bom abastecimento de eletricidade, como a Alemanha e a Áustria, poderão sofrer cada vez mais falhas na rede e restrições de consumo no futuro. As redes de corrente contínua poderiam, por conseguinte, tornar-se um elemento importante para garantir a segurança do aprovisionamento e a neutralidade climática. Um argumento a favor desta ideia é o facto de a corrente contínua ser fácil de armazenar em baterias, o que constitui uma forma eficaz de cobrir picos de consumo dispendiosos.

Outro é a maior eficiência dos recursos quando se expandem as redes elétricas. Graças à tecnologia moderna, as redes de corrente contínua de três fios requerem muito menos material condutor de cobre do que as redes de corrente alternada de cinco fios, bem como menos peças eletrónicas: não há retificador no equipamento.

Como é que a utilização direta da energia solar nas operações de moldagem por injeção funciona na prática? A solução Wittmann baseia-se em três componentes: uma máquina de moldagem por injeção Wittmann ou uma célula de produção modificada para utilizar a tecnologia CC, a rede CC ‘DConnect’ da inesco e uma bateria de armazenamento sodistore max baseada em sal de natrium. A bateria de sal foi desenvolvida especificamente para uma utilização sustentável por empresas industriais.

O DConnect constitui a espinha dorsal da alimentação elétrica DC durante o funcionamento. Trata-se de uma microrrede de corrente contínua autorregulada, na qual os produtores e consumidores de corrente contínua podem ser facilmente integrados e interligados. O DConnect funciona sem um controlador externo e não requer uma ligação à Internet. Isto significa que o sistema está protegido de forma segura contra a cibercriminalidade.

A tarefa da bateria de armazenamento 'sodistore max' é assegurar uma tensão constante, mesmo quando estão ligados diferentes consumidores e a energia fornecida flutua. As baterias de armazenamento de energia solar da Inesco estão disponíveis em vários tamanhos e com capacidades de armazenamento até 500 kWh. Estas baterias de sal têm a mesma densidade energética e o mesmo volume que as baterias de iões de lítio convencionais, mas podem ser carregadas e descarregadas a taxas muito mais elevadas. A bateria de iões de sódio é muito mais amiga do ambiente e também mais segura do que as baterias de iões de lítio convencionais. Não necessita de materiais perigosos e pode ser totalmente reciclada no final da sua vida útil. Além disso, não necessita de ar condicionado e pode funcionar tanto no interior a temperaturas elevadas (até 55 graus) como no exterior a temperaturas muito baixas (-20 graus).

Para a integração na microrrede DConnect, a Wittmann oferece inicialmente a sua série EcoPower de máquinas de injeção e os modelos DC (Direct Current, no termo em inglês) dos seus robôs lineares WX. De acordo com a empresa, estão a ser desenvolvidos outros modelos de máquinas e dispositivos periféricos para integração em redes CC. No evento Competence Days, realizado no verão de 2024, por exemplo, a Wittmann apresentou dispositivos de controlo de temperatura CC.

Para poder utilizá-los com segurança, a tecnologia de conexão também teve de ser adaptada. Especificamente para esta aplicação, o Grupo de Tecnologia da Harting desenvolveu um protótipo de conetor com bloqueio elétrico. Durante o funcionamento, isto protege tanto o sistema como os funcionários de uma extração não intencional e dos arcos elétricos associados. O indicador de sinal integrado mostra em todos os momentos se a tensão está ou não presente no conetor.

As máquinas EcoPower, totalmente eléctricas, equipadas com servomotores altamente dinâmicos para acionamento dos movimentos principais, são ideais para utilização numa rede de corrente contínua. Incorporam um sistema patenteado de recuperação de energia cinética (KERS) que converte a energia cinética em energia elétrica durante a travagem. Numa instalação CA convencional, esta energia recuperada só pode ser utilizada no interior da máquina, por exemplo, para aquecer o cilindro de plasticização. No entanto, quando integrada numa rede de corrente contínua, também pode ser devolvida à rede de corrente contínua para ser utilizada por outros consumidores ou para ser armazenada na bateria. O modelo DC (Direct Current, ou corrennte contínua) do robô Wittmann, que é alimentado diretamente através da ligação CC da máquina EcoPower, também alimenta o excesso de energia de volta à ligação CC durante a travagem.

A célula de produção apresentada nas últimas feiras era constituída por uma máquina de injeção EcoPower B8X 180/750+ com uma capacidade instalada de armazenamento de sal de 45 kWh. Funcionou ininterruptamente durante as oito horas da feira, sem necessidade de recorrer à corrente elétrica em qualquer momento.

Os primeiros testes práticos mostram que a redução das perdas de conversão, por si só, reduz a necessidade de energia de uma célula de produção alimentada diretamente por corrente contínua até 15%.

Qualquer decisão sobre a criação ou não de uma rede de corrente contínua não deve centrar-se no facto de uma tecnologia ser superior à outra. Pelo contrário, as redes de corrente contínua serão criadas a par das redes de corrente alterna em cada vez mais áreas. Por exemplo, se as baterias se esgotarem num dia nublado com pouca luz solar, o sistema desenvolvido conjuntamente pela Wittmann e pela inesco mudará automaticamente para a energia CA. A mudança não será percetível na produção; a máquina será alimentada por um fornecimento contínuo e estável de energia.

A longo prazo, é também provável que as redes CA e CC existam em paralelo. Isto tornará possível decidir, em cada caso, qual a fonte de alimentação que oferece a maior eficiência global.

Com que rapidez se estabelecerá a corrente contínua na indústria de moldagem por injeção? Não existe uma resposta fácil a esta pergunta, uma vez que estão envolvidos muitos fatores. A primeira tarefa é tornar as possibilidades e vantagens da tecnologia CC mais amplamente conhecidas, encontrar aplicações de referência e partilhar mais intensamente a experiência entre os vários setores.

Os desafios técnicos já estão, de qualquer modo, resolvidos. Existem soluções, componentes e mecanismos de proteção de nível industrial. No entanto, mais do que isso, é necessária uma mudança de consciencialização. Os projetistas de fábricas, os arquitetos, os eletricistas e os consultores de energia têm de conhecer a tecnologia de corrente contínua para a terem em conta desde o início quando desenvolem novos projetos.

Os políticos e as associações industriais também têm um papel a desempenhar. Reconhecendo a importância fundamental das energias renováveis para a transição energética, o governo alemão lançou o seu primeiro projeto de investigação conjunta em 2016. Isto levou ao surgimento do grupo de trabalho Open DC Alliance (ODCA) no seio da Associação Alemã de Fabricantes de Material Elétrico e Eletrónico (ZVEI) em 2022. Entretanto, várias empresas de renome internacional aderiram à ODCA, incluindo a inesco.

Embora os sistemas fotovoltaicos existentes possam ser convertidos para CC, a substituição de todos os inversores por conversores CC-CC seria uma tarefa gigantesca. O retorno mais rápido do investimento na criação e operação de uma microrrede de corrente contínua é quando é instalado um novo sistema fotovoltaico acoplado a corrente contínua. Desta forma, a gestão da energia e da carga pode ser concebida de forma ótima desde o início. Também é aconselhável que a rede de corrente contínua integre não só as células de produção de moldagem por injeção, mas também os periféricos e partes da infraestrutura, como o fornecimento de ar comprimido, a iluminação e o ar condicionado.

No entanto, o que mais afeta o retorno do investimento é a estabilidade do fornecimento de energia no local. Quando o fornecimento de energia é frequentemente interrompido ou a quantidade de energia fornecida é limitada, uma microrrede de corrente contínua com armazenamento de baterias acopladas em corrente contínua paga-se a si própria de forma particularmente rápida. No caso de componentes muito críticos, a amortização de uma fonte de alimentação CC pode ser alcançada numa questão de segundos em caso de apagão.