Future Grid revoluciona IoT com Energy Harvesting: a energia que vem do ambiente para alimentar sensores
Em um futuro cada vez mais conectado, onde a Internet das Coisas (IoT) expande suas fronteiras para os locais mais remotos, a dependência de baterias para alimentar sensores tem sido um gargalo logístico, operacional e ambiental. Agora, uma pesquisa inovadora conduzida pelo Future Grid, um Centro de Competência do Lactec credenciado pela Embrapii, demonstra a viabilidade técnica do Energy Harvesting, uma tecnologia promissora que permite a coleta de energias ambientais para alimentar dispositivos.
A iniciativa, liderada por Luciano Carstens, gerente sênior do Future Grid, integra a estratégia de desenvolvimento de tecnologias habilitadoras para redes elétricas inteligentes. O projeto, coordenado pelo pesquisador Patryk Fonseca, do Lactec, comprovou em laboratório que é possível capturar energias como vibrações, calor e campos elétricos, convertê-las em eletricidade e utilizá-las para operar sensores de baixíssimo consumo, abrindo um novo leque de possibilidades para a IoT.
Os resultados obtidos nas três linhas de pesquisa desenvolvidas pelo Future Grid indicam que essa tecnologia é não apenas possível, mas também viável e factível, conforme afirma Patryk Fonseca. Essa inovação surge como uma resposta direta ao desafio crescente da manutenção de milhares de sensores espalhados em redes elétricas, processos industriais, agronegócios e áreas urbanas, que atualmente dependem de baterias e demandam custos significativos com troca e logística. As informações foram divulgadas pelo Lactec.
O Desafio das Baterias e a Solução Inovadora do Energy Harvesting
A proliferação de sensores em diversos setores da economia, como redes elétricas, processos industriais, plantas de agronegócio e infraestruturas urbanas, tem imposto um desafio constante: a necessidade de alimentar esses dispositivos, que majoritariamente dependem de baterias. A substituição e manutenção dessas baterias representam um custo operacional e logístico elevado para as empresas. O deslocamento de equipes, o tempo de inatividade dos equipamentos e o custo das próprias baterias somam-se a um montante considerável.
Patryk Fonseca, pesquisador do Lactec, relata experiências em que empresas com milhares de ativos distribuídos em grandes áreas gastavam até um mês para realizar a troca de baterias em uma única região. “Não é apenas o custo da bateria, mas o deslocamento da equipe e o tempo de operação comprometido”, destaca Fonseca. Essa realidade ressalta a urgência de soluções que minimizem essa dependência.
O Energy Harvesting surge como a resposta a essa demanda, com o potencial de reduzir drasticamente a frequência de trocas de baterias e, em um futuro próximo, eliminá-las completamente. A tecnologia propõe que os dispositivos sejam alimentados por energias já presentes no ambiente, como o campo elétrico gerado por cabos de transmissão, o calor residual de equipamentos industriais ou as vibrações mecânicas de maquinários. Essa abordagem autônoma promete otimizar a operação e reduzir custos de manutenção.
Como Funciona o Energy Harvesting: Coletando Energia do Ambiente
O princípio fundamental do Energy Harvesting é a captação de energia de fontes ambientais que, de outra forma, seriam desperdiçadas. Essa energia capturada é então convertida em eletricidade utilizável para alimentar dispositivos eletrônicos de baixo consumo, como sensores IoT. As pesquisas do Future Grid focaram em três principais fontes de energia:
1. Vibrações: Motores, máquinas em operação e até mesmo o tráfego podem gerar vibrações. Transdutores piezoelétricos ou eletromagnéticos podem converter essa energia mecânica em energia elétrica.
2. Calor: Diferenciais de temperatura entre um dispositivo e o ambiente, ou o calor residual de equipamentos industriais, podem ser aproveitados por termoelétricos (dispositivos que geram eletricidade a partir de uma diferença de temperatura).
3. Campo Elétrico: A presença de campos elétricos, como os gerados por linhas de transmissão de energia, pode ser utilizada para gerar eletricidade. Essa fonte se mostra particularmente promissora para aplicações em redes elétricas.
A conversão dessas energias ambientais em eletricidade é o primeiro passo. O segundo, igualmente crucial, é o condicionamento da energia, que envolve a eletrônica necessária para tornar essa energia utilizável e estável para os dispositivos. A pesquisa do Future Grid tem se debruçado sobre esses aspectos, buscando otimizar a eficiência e a aplicabilidade da tecnologia.
Campo Elétrico: A Fonte Mais Promissora para Redes Inteligentes
Dentro das diversas fontes de energia ambiental investigadas, o campo elétrico desponta como a mais estratégica e promissora para aplicações no setor de redes elétricas inteligentes, as chamadas Smart Grids. A proximidade com linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica, onde campos elétricos são naturalmente presentes e intensos, oferece uma oportunidade única para a captação de energia.
A pesquisadora Natalia Menezes, integrante do grupo de estudos de Energy Harvesting no Lactec, explica que a captação de campo elétrico ao redor de linhas de transmissão é tecnicamente mais simples e de menor custo em comparação com outras formas de captura de energia. “O fenômeno físico da captura e conversão do campo elétrico é factível. O grande desafio está no condicionamento dessa energia, na parte eletrônica. Dentre as três frentes estudadas, o campo elétrico é o mais promissor no contexto de Smart Grids”, afirma Menezes.
Essa simplicidade técnica e o potencial de aproveitamento em larga escala tornam o campo elétrico uma alternativa atraente para alimentar sensores que monitoram a infraestrutura elétrica, como o status de transformadores, a qualidade da energia transmitida e a integridade das linhas. A capacidade de gerar energia de forma contínua e abundante em locais estratégicos é um diferencial significativo.
Armazenamento Temporário e Protocolos de Baixo Consumo: Garantindo a Continuidade
Apesar do potencial de eliminar as baterias tradicionais, a natureza intermitente de algumas fontes de energia ambiental (como vibrações que dependem de atividade constante ou calor que pode variar) exige soluções para armazenamento temporário de energia. Os pesquisadores do Future Grid identificaram os supercapacitores como a alternativa ideal para essa função.
Diferentemente dos capacitores convencionais, os supercapacitores possuem uma capacidade de armazenamento de energia significativamente maior e uma vida útil mais longa. Suas características técnicas, como a rápida taxa de carga e descarga, os tornam adequados para lidar com as flutuações na disponibilidade de energia captada pelo Energy Harvesting. Eles funcionam como uma “ponte” energética, garantindo que os dispositivos recebam energia mesmo em momentos de baixa captação.
Para que os sensores alimentados por Energy Harvesting possam se comunicar de forma eficiente, é fundamental a utilização de protocolos de rede de baixo consumo. Os projetos do Future Grid exploram redes mesh como o Wi-SUN, que são ideais para a comunicação de dispositivos IoT com requisitos energéticos mínimos. Além disso, protocolos como Bluetooth, Zigbee e LoRa também são adequados e podem ser aplicados, operando na faixa de microwatts a miliwatts.
“É importante ressaltar que não estamos falando de geração de energia em grande escala, como megawatts ou gigawatts. É um reaproveitamento de pequenas quantidades de energia que, em geral, seriam desperdiçadas, mas, se bem gerenciadas, são suficientes para alimentar sensores IoT”, esclarece o coordenador Patryk Fonseca. O foco está na otimização do uso energético em dispositivos de baixíssimo consumo.
Próximos Passos e o Papel do Future Grid na Inovação
Os avanços significativos obtidos nas pesquisas do Future Grid já se materializaram em diversas frentes, incluindo publicações científicas, dois depósitos de patentes de desenho industrial e um pedido de patente de invenção em andamento. Os três projetos iniciados de forma integrada, e posteriormente desmembrados para maior especialização, têm previsão de conclusão em maio deste ano, com validação completa em ambiente laboratorial.
Como um Centro de Competência credenciado pela Embrapii, o Future Grid atua em estágios iniciais de maturidade tecnológica (TRL – Technology Readiness Level), focando na prova de conceito e validação de princípios básicos. “Nosso papel é trabalhar os fundamentos, entender se é possível extrair energia disponível no ambiente e alimentar um dispositivo. Comprovado o conceito, disponibilizamos esses resultados para que as empresas associadas possam elevar a tecnologia através de outros modelos de desenvolvimento de projetos”, explica Patryk Fonseca.
Luciano Carstens, gerente sênior do Future Grid, ressalta que iniciativas como essa demonstram a maturidade do ecossistema de inovação brasileiro aplicado às redes inteligentes. “Nosso papel é estruturar ambientes de experimentação tecnológica que permitam validar conceitos emergentes com rigor técnico e visão de longo prazo, criando base para soluções industriais robustas”, destaca Carstens.
Impactos Transformadores para Indústria, Sociedade e Meio Ambiente
A tecnologia de Energy Harvesting, comprovada pelo Future Grid, promete gerar impactos profundos em diversas esferas. Para a indústria, a principal vantagem reside na redução drástica dos custos operacionais associados à manutenção de milhares de sensores. Isso libera recursos que podem ser reinvestidos em outras áreas, como pesquisa e desenvolvimento ou expansão de operações.
Além disso, a tecnologia abre caminho para uma nova geração de dispositivos conectados, permitindo o sensoriamento de informações que hoje não são monitoradas devido às limitações logísticas ou energéticas impostas pelo uso de baterias. A popularização do Energy Harvesting pode expandir o alcance da IoT para aplicações antes inimagináveis, como monitoramento ambiental em locais de difícil acesso ou em objetos de uso cotidiano.
Patryk Fonseca vislumbra um futuro onde a dependência de carregadores pode diminuir consideravelmente. “Imagine o cidadão do futuro, talvez não precise mais carregar seu celular, pois este irá utilizar as ondas de rádio presentes nas cidades para carregar sua bateria, ou ainda, poderá ter roupas inteligentes que utilizam o diferencial de temperatura do corpo com o ambiente para se auto energizar”, projeta o pesquisador.
Do ponto de vista ambiental, a redução no uso de baterias se traduz em benefícios significativos. A pesquisadora Natalia Menezes aponta que isso significa “menos extração de recursos, menor volume de produção e descarte – uma contribuição relevante em um cenário de crescentes preocupações com resíduos eletrônicos e mudanças climáticas”. A sustentabilidade se torna um pilar fundamental dessa nova era tecnológica.
O Futuro da Energia Autônoma e a Busca por Parceiros Industriais
O Future Grid, sob a liderança de Luciano Carstens, está ativamente buscando empresas interessadas em converter essa base tecnológica em produtos comerciais. O objetivo é acelerar a adoção do Energy Harvesting no mercado, transformando as descobertas de laboratório em soluções industriais concretas.
Paralelamente, o centro de competência está estruturando novos projetos cooperativos que visam integrar múltiplas fontes de captura de energia. Essa abordagem multifacetada tem como objetivo aumentar a confiabilidade e a disponibilidade energética dos dispositivos, garantindo seu funcionamento contínuo e eficiente.
A iniciativa do Future Grid não apenas valida uma tecnologia promissora, mas também prepara empresas e talentos para liderar a próxima geração de soluções industriais e tecnológicas. Ao focar na autonomia energética de dispositivos IoT, o projeto contribui para um futuro mais eficiente, sustentável e conectado, onde a energia está ao alcance, aproveitada de forma inteligente do próprio ambiente.
