Aproveitamento da Energia das Ondas Para Bombeamento...

Aproveitamento da Energia das Ondas Para Bombeamento Eficiente e Dessalinização da Água do Mar

Eduardo de Azevedo Backer

Projeto de Graduação apresentado ao

Curso de Engenharia Mecânica da Escola

Politécnica, Universidade Federal do Rio

de Janeiro, como parte dos requisitos

necessários à obtenção do título de

Engenheiro Mecânico.

Orientadores:

Eliab Ricarte Beserra

David Alves Castelo Branco

Rio de Janeiro Fevereiro de 2017

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ

Aproveitamento da Energia das Ondas Para Bombeamento Eficiente e

Dessalinização da Água do Mar


PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO

DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

________________________________________________ Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz, D.Sc.

________________________________________________ Prof. David Alves Castelo Branco, D.Sc.

________________________________________________

Prof. Eliab Ricarte Beserra, D.Sc.

________________________________________________ Prof. Rodrigo Klim Gomes, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

FEVEREIRO DE 2017

i

Backer, Eduardo de Azevedo

Aproveitamento da Energia das Ondas Para

Bombeamento Eficiente e Dessalinização da Água do

Mar

– Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2017.

XI, p.:91 il.; 29,7 cm.

Orientador: David Alves Castelo Branco

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso

de Engenharia Mecânica, 2017.

Referências Bibliográficas: p. 88-91.

1. Estações de Bombeio. 2. Energia das ondas. 3.

Dessalinização. I. Universidade Federal do Rio de

Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia

Mecânica. II. Titulo.

ii

“Se, a princípio, a ideia não é absurda,

então não há esperança para ela.”

– Albert Einstein

“Não andes apenas pelo caminho traçado,

pois ele conduz somente até onde os

outros já foram.”

– Alexander Graham Bell

iii

DEDICATÓRIA

À Dona Olívia, in memoriam, por ser a melhor avó, mãe e amiga que alguém poderia

desejar.

“Durante a nossa vida:

Conhecemos pessoas que vêm e que ficam,

Outras que vêm e passam.

Existem aquelas que,

Vêm, ficam e depois de algum tempo se vão.

Mas existem aquelas que vêm e se vão com uma enorme vontade de ficar.”

- Charles Chaplin

iv

AGRADECIMENTOS

À Deus, primeiramente, por me proporcionar as condições de saúde, familiar e

econômicas para chegar até este ponto da minha vida.

Aos meus pais, pelo incentivo, acima do comum, aos estudos e por me propiciar a

estabilidade necessária para conseguir realizar meus estudos.

À toda a minha família, pelo apoio incondicional durante todos estes anos.

Aos professores David Alves Castelo Branco e Alexandre Salem Szklo, da disciplina

Fontes Alternativas de Energia, que modificaram os meus pensamentos e visão de

vida, e me colocaram na direção da escolha deste tema como projeto de graduação.

Aos pesquisadores Eliab Ricarte Beserra e Rodrigo Klim Gomes, que me orientaram

de forma concisa e eficaz durante o ano de 2016.

Ao Programa de Planejamento Energético da COPPE/UFRJ, por me permitir a

realização do estágio acadêmico que culminou na execução deste trabalho.

Aos meus companheiros de engenharia mecânica, por dividir momentos

extremamente delicados e horas e mais horas de estudo ao meu lado.

v

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como

parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

Aproveitamento da Energia das Ondas Para Bombeamento Eficiente e

Dessalinização da Água do Mar


Fevereiro/2017

Orientador: David Alves Castelo Branco

Curso: Engenharia Mecânica

Esse projeto final de graduação apresenta um estudo sobre a uma nova concepção

de bombeamento através do conceito das estações de bombeio, utilizando

dispositivos que aproveitam o potencial energético das ondas para realizar tal

trabalho. O estudo visa propor configurações possíveis de dutos que escoarão a

água do mar até a costa, realizando os cálculos de perda de carga necessários, para

posterior realização da sua dessalinização e produção de água potável. Apesar do

caráter intercambiável do projeto, este estudo é focado na região do Porto do Pecém,

no Ceará, Brasil.

Palavras-chave: energia das ondas, bombeamento eficiente, dessalinização

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfilment of

the requirements for the degree of Mechanical Engineer.

Wave-energy Extraction Aiming an Efficient Pumping and Desalination of Sea Water


February/2017

Advisor: David Alves Castelo Branco

Course: Mechanical Engineering

This undergraduate project presents a study on a new pumping design through the

concept of pumping stations, using devices that take advantage of the energetic

potential of the waves to perform such work. The study aims to propose possible

configurations of pipelines that will drain seawater to the coast, performing the

necessary friction loss calculations, for subsequent desalination and potable water

production. Despite the interchangeable character of the project, this study is

focused on the region of Porto do Pecém, at Ceará, Brazil.

Key-words: wave-energy, efficient pumping, dessalination

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Destilador Solar ......................................................................... 18

Figura 2 – Esquema do Dessalinizador Multi Estágio Flash ........................ 21

Figura 3 – Esquema do Dessalinizador Multi Efeito de Evaporação ............. 22

Figura 4 – Esquema do Dessalinizador Vapor Compressão .......................... 23

Figura 5 – Esquema do Dessalinizador por Osmose Reversa ....................... 24

Figura 6 – AquaBuOY ................................................................................. 35

Figura 7 – Flutuador do AquaBuOY ............................................................ 36

Figura 8 – McCabe Wave Pump ................................................................... 37

Figura 9 – Concepção do WaveRoller ........................................................... 40

Figura 10 – Concepção do Gerador Adaptativo de Pressão ........................... 40

Figura 11 – Seadog .................................................................................... 42

Figura 12 – Instalação do Seadog ............................................................... 42

Figura 13 – Oyster ..................................................................................... 44

Figura 14 – Foto 1 do Oscilador no INPH .................................................... 46

Figura 15 – Foto 2 do Oscilador no INPH .................................................... 46

Figura 16 – Foto 1 do Oscilador em Teste ................................................... 47

Figura 17 – Foto 2 do Oscilador em Teste Água ........................................... 47

Figura 18 – Foto da CSP em Construção ..................................................... 49

Figura 19 – Pré Filtragem na Região do Pecém ............................................ 52

Figura 20 – Direção de Ondas no Pecém ..................................................... 53

Figura 21 – Arranjo dos Osciladores ........................................................... 54

Figura 22 – Sistema Vertical de Dessalinização Térmica ............................. 56

Figura 23 – Caminho da Tubulação até o Porto do Pecém ........................... 59

Figura 24 – Caminho da Tubulação até a CSP ............................................ 60

Figura 25 – Tela dos Parâmetros Iniciais ..................................................... 64

Figura 26 – Tela dos Cálculos Iniciais ......................................................... 64

Figura 27 – Tela dos Comprimentos Equivalentes ....................................... 64

Figura 28 – Tela dos Cálculos Finais ........................................................... 65

Figura 29 – Parâmetros Iniciais do Cenário 1 com Diâmetro de 40

polegadas............................................................................................................. 66

viii

Figura 30 – Cálculos Finais do Cenário 1 com Diâmetro de 40 polegadas .... 66

Figura 31 – Configuração dos Dutos do Cenário 1 com Diâmetro de 40

polegadas...................................................................................................................... 67


polegadas...................................................................................................................... 67

Figura 33 – Cálculos Finais do Cenário 1 com Diâmetro de 20

polegadas............................................................................................................. 68


polegadas............................................................................................................. 68


polegadas............................................................................................................. 69


polegadas............................................................................................................. 70


polegadas............................................................................................................. 70


polegadas............................................................................................................. 71


polegadas............................................................................................................. 71


polegadas............................................................................................................. 72

Figura 41 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Primeiro Trecho com Diâmetro

de 20 polegadas.................................................................................................... 73

Figura 42 – Comprimentos Equivalentes do Cenário 3: Primeiro Trecho com

Diâmetro de 20..................................................................................................... 73

Figura 43 – Cálculos Finais do Cenário 3: Primeiro Trecho com Diâmetro de

20 polegadas........................................................................................................ 73

Figura 44 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Segundo Trecho com Diâmetro

de 20 polegadas.................................................................................................... 74

Figura 45 – Comprimentos Equivalentes do Cenário 3: Segundo Trecho com

Diâmetro de 20 polegadas..................................................................................... 75

Figura 46 – Cálculos Finais do Cenário 3: Segundo Trecho com Diâmetro de

20 polegadas........................................................................................................ 75

Figura 47 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Terceiro Trecho com Diâmetro

de 20 polegadas.................................................................................................... 75

ix

Figura 48 – Cálculos Finais do Cenário 3: Terceiro Trecho com Diâmetro de 20

polegadas............................................................................................................. 76

Figura 49 – Figura 49 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Quarto Trecho com

Diâmetro de 20 polegadas..................................................................................... 76

Figura 50 – Cálculos Finais do Cenário 3: Quarto Trecho com Diâmetro de 20

polegadas............................................................................................................. 77

Figura 51– Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Quinto Trecho com Diâmetro de

20 polegadas........................................................................................................ 77

Figura 52 – Cálculos Finais do Cenário 3: Quinto Trecho com Diâmetro de 20

polegadas............................................................................................................. 78

Figura 53 – Figura 53 – Configuração dos Dutos do Cenário 3 com Diâmetro

de 20 polegadas.................................................................................................... 79

Figura 54 – Parâmetros Iniciais do Cenário 4: Primeiro Trecho do Primeiro

Caso.................................................................................................................... 81

Figura 55 – Figura 55 – Cálculos Finais do Cenário 4: Primeiro Trecho do

Primeiro Caso....................................................................................................... 81

Figura 56 – Parâmetros Iniciais do Cenário 4: Segundo Trecho do Primeiro

Caso.................................................................................................................... 82

Figura 57 – Cálculos Finais do Cenário 4: Segundo Trecho do Primeiro

Caso.................................................................................................................... 82

Figura 58 – Parâmetros Iniciais do Cenário 4: Segundo Caso ...................... 83

Figura 59 – Cálculos Finais do Cenário 4: Segundo Caso ............................ 83

Figura 60 – Configuração dos Dutos do Cenário 4: Primeiro Caso ............... 84

Figura 61 – Configuração dos Dutos do Cenário 4: Segundo Caso ............... 85

x

SUMÁRIO

1. Introdução ……………………………………………………....................................... 12

2. Dessalinização da água do mar ……………………….......................................... 14

2.1 Energia requerida para a dessalinização …….…………..................................... 14

2.2 Tipologia da dessalinização .............................................................................16

2.3 Processos de Dessalinização ........................................................................... 16

2.4 Multi Estágio Flash (MSF) ............................................................................... 20

2.5 Multi Efeito Evaporação (MEE) ....................................................................... 21

2.6 Vapor Compressão (CV) .................................................................................. 22

2.7 Osmose Reversa ............................................................................................. 23

2.7.1 Tratamentos prévios da água do mar ........................................................... 25

2.7.1.1 Pré Tratamento Convencional ................................................................... 26

2.7.1.2 Membranas Capilares .............................................................................. 27

2.8 Definição do dessalinizador e da fonte de energia ............................................ 28

3. Energia das Ondas .......................................................................................... 29

3.1 Equações da energia das ondas ...................................................................... 30

3.2 Conversores de energia das ondas .................................................................. 31

3.2.1 Localização ................................................................................................. 31

3.2.2 Tipo ............................................................................................................ 32

3.3 Dispositivos de Bombeamento ........................................................................ 32

3.3.1 Delbuoy ...................................................................................................... 33

3.3.1.1 Princípio de Operação .............................................................................. 33

3.3.1.2 Local ....................................................................................................... 33

3.3.2 AquaBuOY .................................................................................................. 34


3.3.2.2 Local ....................................................................................................... 35

3.3.3 McCabe Wave Pump .................................................................................... 36


3.3.3.2 Local ....................................................................................................... 38

3.3.4 AaltoRo ....................................................................................................... 38

xi


3.3.4.2 Local ....................................................................................................... 39

3.3.5 Seadog ....................................................................................................... 41


3.3.5.2 Local ....................................................................................................... 41

3.3.6 Oyster ......................................................................................................... 43


3.3.6.2 Local ....................................................................................................... 44

3.4 Oscilador do Programa de Planejamento Energético da COPPE ....................... 45

3.4 Possibilidades de utilização do dispositivo e escolha da dessalinização ............ 48

4. Definição do local e do modelo de projeto ......................................................49

4.1 Sítio escolhido ............................................................................................... 49

4.2 Captação da água no Porto do Pecém .............................................................. 52

4.3 Arranjo dos dispositivos no quebra mar .......................................................... 52

4.4 Dessalinização térmica ................................................................................... 55

5. Estudos de caso ............................................................................................. 57

5.1 Cálculo das perdas de carga ........................................................................... 59

5.2 Estações de bombeio ...................................................................................... 62

5.3 Método do comprimento equivalente aplicado ................................................. 63

5.4 Programa desenvolvido no Microsoft Excel ...................................................... 63

5.5 Estudo de Caso .............................................................................................. 65

5.5.1 Estudo de Caso – Cenário 1 ......................................................................... 65




6. Conclusão ...................................................................................................... 86

12

1. Introdução

O planeta vem passando por um dilema que será ponto crucial das discussões

sobre planejamento energético nos próximos anos. Os estoques de petróleo

diminuem a cada ano enquanto a população continua a crescer, gerando uma

demanda cada vez maior por energia. Por isso, será necessário que o mundo passe

a buscar, cada vez mais, alternativas de energia para combinar com a queima de

fontes fósseis, de forma a atender esse crescimento esperado nas próximas décadas.

Ademais, o homem chegou ao século XXI e as possibilidade de se utilizar petróleo em

outras demandas mais nobres, tais como, cosméticos, borracha sintética,

lubrificantes, remédios, produtos de limpeza, asfalto, tecidos sintéticos, entre outros,

são grandes, de forma que a simples queima e combustão do produto passa a soar

como uma prática obsoleta. É nesse contexto que urge a necessidade de

desenvolvimento das fontes alternativas de energia, para que possam ser combinadas

com a combustão das fontes fósseis e, quiçá, em algumas décadas, cobrir

completamente a demanda energética do planeta, ao se tornar uma alternativa viável

economicamente quando comparada ao petróleo. Dentro das fontes de energia

alternativa, a energia proveniente dos oceanos possui grande potencial de

crescimento, uma vez que ainda está em fase de desenvolvimento.

Um outro debate importante, que vem crescendo em importância a cada ano é

o da questão dos impactos ambientais resultantes da emissão de gases provenientes

da queima de combustíveis fósseis. Em 2015, um acordo inédito foi celebrado na COP

21, a cúpula do clima de Paris, que aprovou o primeiro acordo de extensão global para

reduzir as emissões de gases de efeito estufa e para combater os impactos da

mudança climática. O acordo delibera que seus 195 países signatários atuem para

que temperatura média do planeta sofra uma elevação muito abaixo de 2°C, mas

reunindo esforços para limitar o aumento de temperatura a 1,5°C. É nesse contexto

que a questão energética do planeta pode ser gravemente afetada, pois como será

possível lidar com a crescente exigência energética, se os países garantem que vão

reduzir a emissão de gases poluentes advindos da queima de combustíveis fósseis?

13

A resposta está na diversificação da matriz global energética, combinando a

queima de combustíveis fósseis com a geração de energia a partir de fontes

alternativas. Fontes alternativas renováveis já consagradas e em pleno crescimento

são as fontes eólica e solar, contudo uma fonte de energia pouco explorada ainda, e

em fase de pesquisa e desenvolvimento, é a energia proveniente dos oceanos.

Algumas fontes de energia presentes nos mares são: o gradiente térmico entre a

superfície e o fundo do oceano, gradientes de salinidade, exploração das correntes

marinhas, exploração das marés e a exploração das ondas. Esta última, objeto de

estudo deste projeto, possui uma densidade energética muito maior que a das

energias eólica e solar, fornecendo, pois, um desafio ao homem em conseguir realizar

sua captação de forma eficiente para inseri-la na matriz energética mundial de forma

constante. No Brasil, ainda não existe um caso de sucesso relacionado ao tema e

esse estudo pretende, junto a outros estudos do grupo de pesquisa, começar a colocar

a energia das ondas efetivamente em prática em solo nacional.

Por outro lado, um outro grande problema que a humanidade sofre, é a questão

da produção de água potável, essencialmente em regiões onde a distribuição da água

é precária, de difícil acesso ou a fonte de recursos de água doce é escassa. Uma

solução que se escancara a frente dos olhos da engenharia é unir a energia dos

oceanos com a maior fonte de água do planeta, que é exatamente a água salina dos

oceanos. Dessa forma, utilizando o potencial das ondas com métodos de

dessalinização desenvolvidos e consagrados, seria possível entregar água potável em

regiões como, por exemplo, Carrizal Bajo, um pequeno povoado perto do deserto do

Atacama, no Chile, com sérias dificuldades na distribuição de água e que possui bom

potencial energético das ondas em sua costa.

O projeto de pesquisa aplicada consiste no dimensionamento de uma planta

de bombeamento de água pelo uso da energia das ondas, sob pressão demandada

por uma planta de dessalinização de água do mar. A pesquisa propõe uma maneira

de produzir água pressurizada sem a necessidade de eletricidade, insumo este

responsável por 50% dos custos de operação de uma planta dessalinizadora. Será

utilizado um dispositivo de produção de energia a partir das ondas em águas rasas,

14

um oscilador que visa o aproveitamento tanto da energia potencial quanto da energia

cinética das ondas, cujo funcionamento será objeto de descrição no trabalho.

O intuito da pesquisa é verificar a possibilidade de usar essa energia para

pressurização da água do mar, de forma a conseguir escoá-la através de longas

distância até a costa e, a partir daí, realizar o processo de dessalinização da forma

que for mais apropriada. Além disso, o projeto desenvolverá uma ideia de

bombeamento sem a utilização de bombas hidráulicas acionadas por eletricidade,

através do conceito de estações de bombeio. Tal conceito, a ser mostrado neste

estudo, visa utilizar o oscilador para bombear a água do mar por uma determinada

distância, até o próximo oscilador, onde a água será, uma vez mais, pressurizada, e

assim consecutivamente até a costa. Ao final, intenciona-se ter o dimensionamento

de uma planta com esse arranjo e pronta para ser implementada em diversos locais.

A ideia do projeto é ser intercambiável, visto que um programa no Microsoft Excel será

desenvolvido com o objetivo de que seja possível realizar a entrada inicial de

parâmetros diferentes, de acordo com os sítios escolhidos e a potência requerida ao

arranjo de osciladores seja calculada para o lugar específico.

2. Dessalinização da água do mar

2.1 Energia requerida para a dessalinização

A água é um dos recursos mais abundantes na Terra, cobrindo três quartos da

superfície do planeta. No entanto, cerca de 97% da água da Terra é água do mar

salgada, e somente 3% é água doce (MANOLAKOS et al., 2007). As únicas fontes de

água realmente inesgotáveis no planeta são os oceanos, sua principal desvantagem,

no entanto, é a sua elevada salinidade. Dessa maneira, seria interessante enfrentar o

problema da escassez de água potável no mundo com a dessalinização da água.

Dessalinizar, em geral, significa remover o sal da água do mar ou, na maior parte dos

casos, da água salobra, isto é, uma água que já recebeu um pré tratamento de

filtragem, reduzindo a concentração de partículas sólidas em sua composição. De

15

acordo com a Organização Mundial da Saúde (OMS), o limite permitido de salinidade

na água é de 500 partes por milhão (ppm) e, em casos especiais, de até 1000 ppm,

enquanto a maioria da água disponível na Terra tem salinidade de 10.000 ppm. A

água do mar, por sua vez, normalmente tem salinidade na gama de 35.000 a 45.000

ppm, sob a forma de sais dissolvidos. O excesso de salobridade causa múltiplos

problemas ao ser humano, como, por exemplo, problemas de estômago, efeitos

laxativos e, até mesmo, problemas cardíacos. A finalidade de um sistema de

dessalinização é purificar a água salobra ou água do mar e prover água com sólidos

totais dissolvidos dentro do limite permitido (KALOGIROU, 2005). Tal objetivo pode

ser alcançado através de diversos métodos de dessalinização que serão discutidos

neste capítulo.

Segundo Kalogirou (2005), estima-se que a produção atual de água potável

através da dessalinização (22 milhões de metros cúbicos de água por dia) requer

cerca de 203 milhões de toneladas de petróleo por ano. Portanto, dada a atual

preocupação, em escala global, com a emissão de poluentes e os efeitos que essas

práticas vem causando, ocasionando diversos problemas ambientais, é questionável

se a humanidade pode se dar ao luxo de queimar combustíveis fósseis, na medida

necessária, para fornecer água potável a todos. A conclusão que se chega é que, se

a dessalinização realizada através de tecnologia convencional não é uma alternativa

viável para o futuro, então a dessalinização, utilizando fontes de energia alternativa,

terá de ser desenvolvida e ampliada. Felizmente, muitos lugares que estão com

escassez de água, possuem fontes renováveis de energia exploráveis, que podem ser

utilizadas para conduzir os processos de dessalinização (KALOGIROU, 2005).

Embora a energia renovável ainda não possa competir com sistemas

convencionais, em termos de custo da água produzida, ela é aplicável em

determinadas áreas remotas, caracterizadas pela falta de água potável e de fontes de

energia convencionais, como calor e rede elétrica. Além disso, a expectativa é de que,

com dados operacionais e com a experiência adquirida em plantas que funcionam à

base de energia renovável, seja possível conseguir uma maior confiabilidade e

minimização de custos para que, num futuro próximo, se tornem soluções amplamente

viáveis (KALOGIROU, 2005). O acoplamento das fontes de energia renováveis com

16

processos de dessalinização é visto, por alguns, como tendo o potencial para oferecer

uma rota para sustentável aumento do fornecimento de água potável (QIBLAWEY;

BANAT, 2007).

2.2 Tipologia da dessalinização

Dessalinização da água do mar pode ser um recurso bastante confiável para a

produção de água doce. No entanto, um investimento substancial de capital é

necessário e a operação do sistema continuará a exigir despesas de energia, mão de

obra e produtos químicos. A decisão de usar o processo de dessalinização e a

seleção, tanto da tecnologia mais adequada quanto da sua capacidade, depende de

diversas variáveis (WORLD BANK, 2004). Existem duas maneiras de se realizar a

dessalinização da água salgada dos oceanos: ou a captação é direta do oceano, isto

é, o pré tratamento é feito offshore, ou a captação é indireta, de maneira que o pré

tratamento é feito onshore. A escolha a ser feita é de suma importância, uma vez que

a concentração total de sólidos dissolvidos (TDS) na água que é alimentada na planta,

impacta diretamente em diversos parâmetros de projeto. Por isso, é necessário

descrever as diferentes maneiras de captação da água e suas respectivas

concentrações.

A captação direta pode ser realizada através de canais dragados, abaixo da

zona de arrebentação, para succionar a água do mar. Captações diretas mais

sofisticadas envolvem a construção de dutos desde a costa até regiões posteriores à

arrebentação. Contudo, há grandes diferenças entre regiões rasas e locais de águas

profundas. Por um lado, águas profundas, que são águas mais profundas do que 35

metros, possuem melhor qualidade da água, em razão da menor quantidade de

detritos. No entanto, também há desvantagens com a distância da costa, como o custo

das tubulações, que podem tornar projetos em águas profundas menos competitivos

economicamente. Na verdade, a maioria dos projetos de captação de água

diretamente do mar variam numa profundidade de 1 a 6 metros. Outrossim,

geralmente, captação de água do mar exige construções offshore e, traz consigo, os

impactos associados. Vários problemas são relatados para captação direta incluindo

17

a incrustação biológica de tubos de admissão, admissão de lixo e outros detritos e

produtos de hidrocarbonetos na água de alimentação (CAMPBELL; JONES, 2005).

Um dos maiores problemas da dessalinização direta é, portanto, a qualidade da água

de alimentação. Os processos de pré tratamento mais antigos são baseados em uma

série de etapas de filtração, enquanto tecnologias mais recentes consistem em

membranas de configuração capilar. Ambos os processo serão descritos na seção de

pré tratamento.

Por outro lado, os modelos indiretos de admissão de água salgada são

projetados para assegurar a qualidade da água. Geralmente, a captação indireta visa

reduzir ou eliminar o pré tratamento da água antes da alimentação nas membranas,

protegendo-as da proliferação de algas nocivas, derrames de hidrocarbonetos e

cargas de choque devido a tempestades. Estas características de projeto resultarão

em uma melhor eficiência e desempenho das centrais de dessalinização,

especialmente aquelas com sistemas de membrana. Modelos indiretos podem ser

divididos em: poços verticais, poços verticais com extensão horizontal e galerias de

infiltração (CAMPBELL; JONES,2005).

Um dos objetivos primordiais deste estudo é deixar um esqueleto de projeto

que possa ser utilizado em diversas localidades através do planeta, independente da

necessidade de água potável ser grande, média ou pequena. Por isso, o estudo exige

uma escolha de forma de captação que seja intercambiável, isto é, que possa ser

utilizada nos mais diversos sítios com regularidade de ondas. Portanto, a captação

direta é a mais indicada, visto que ela não depende das condições hidro geológicas

do local, diferente da captação indireta. Seja ela por infiltração ou por poços, as

características dos sítios são restrições de projeto, incluindo a permeabilidade do

aquífero, gradiente hidráulico entre a fonte e a admissão, e a permeabilidade vertical

das camadas sedimentares próximas à costa, limitando as possíveis escolhas de

regiões para implementação. Contudo, alguns sítios possuem regiões de acúmulo de

água que permitem uma pré filtragem natural da água do mar, como é o caso do sítio

escolhido para o estudo de caso deste projeto. Nessas regiões é interessante

aproveitar essa água do mar pré-filtrada e, através de uma bomba de recalque,

realizar o bombeamento até o primeiro oscilador.

18

2.3 Processos de Dessalinização

Os sistemas de dessalinização podem ser classificados em duas categorias:

sistemas diretos e indiretos. Os sistemas de coleta de energia diretos utilizam

destiladores solares para produzir, como o nome já sugere, água destilada a partir de

coletores solares. Por outro lado, nos sistemas indiretos, dois subsistemas são

empregados, um para captação de energia e outro para a dessalinização

(MANOLAKOS et al., 2007).

O processo de dessalinização direta é razoavelmente simples e se baseia no

comportamento da natureza. No meio ambiente, a dessalinização solar produz chuva

quando a radiação solar é absorvida pelo mar e faz a água evaporar. A água se

evapora completamente e se eleva acima da superfície, posteriormente sendo movida

pelo vento. Uma vez que este vapor esfria para o seu ponto de orvalho, a condensação

ocorre, e a água doce desce em forma de chuva. Este procedimento básico é

responsável pelo ciclo hidrológico e seu mesmo princípio é utilizado em todos os

processos de destilação feitos pelo homem em sistemas que utilizam fontes

renováveis (QIBLAWEY; BANAT, 2007). A eficiência média típica desses

destiladores, definida como a razão entre a energia utilizada na vaporização da água

no aparato e a energia solar incidente sobre o vidro de cobertura, é de, no máximo,

35% (KALOGIROU, 2005). Um esquema representativo da destilação direta pode ser

observado na figura 1:

Figura 1 – Destilador Solar

Fonte: SANTOS (2005)

19

A grande vantagem da utilização de energia solar para dessalinização direta

reside no fato de que é uma energia livre e de insignificante custo operacional.

Contudo, é necessário observar que tal tipo de tecnologia de dessalinização só é

aplicável para produções em pequena escala (QIBLAWEY; BANAT, 2007). Dessa

forma, instalações desse tipo ficam restritas à locais escassos e com boa incidência

solar, como por exemplo ilhas e locais áridos.

Por outro lado, devido à natureza difusa da energia solar, os principais

problemas com o uso de energia solar térmica, como fonte em usinas de

dessalinização em larga escala, são a relativamente baixa taxa de produtividade, a

baixa eficiência térmica e o espaço consideravelmente grande exigido para captação

(QIBLAWEY; BANAT, 2007).

Portanto, a conclusão que se chega é que a dessalinização direta possui

limitações referentes ao local que vai ser instalado e à capacidade de produção, caso

a necessidade seja de produção em escala industrial. Dito isso, sabendo que o

objetivo desse estudo é apresentar uma solução que, além da eficiência energética,

permita flexibilidade com relação ao local de instalação, o processo de dessalinização

direta não atende às premissas estabelecidas. Utilizando um sistema de

dessalinização indireta, o projeto se torna flexível, permitindo, não somente a

aplicação em regiões com baixa demanda de água doce diária, mas também a

aplicação em lugares que exijam uma quantidade maior de água potável por dia, ou

seja, locais estes em que os coletores diretos teriam produção insuficiente. A seguir

será explicado o funcionamento e serão apresentados os tipos mais usuais de

dessalinização indireta.

Os sistemas indiretos envolvem a implementação de dois subsistemas

separados, um dispositivo de coleta de energia renovável (coletor solar, painel

fotovoltaico, turbina eólica, dispositivo de aproveitamento da energia das ondas, etc.)

e uma planta para transformar a energia coletada em água potável. A planta de

energia é baseada em um dos seguintes princípios de funcionamento:

20

Princípio um: são utilizados processos que envolvem mudança de fase, dentre

os quais serão apresentados aqueles que são os mais utilizados.

Multi Estágio Flash (MSF)

Multi Efeito de Evaporação (MEE)

Vapor Compressão (CV)

Princípio dois: são utilizados processos que utilizam uma membrana de

filtração, dentre os quais o mais utilizado em escala global é o seguinte:

Osmose Reversa (RO)

O princípio de funcionamento de processos de mudança de fase implica na

reutilização do calor latente de evaporação para preaquecer a alimentação de água

salina, enquanto ao mesmo tempo a condensação de vapor produz água doce. Já o

segundo princípio funciona de forma que a água do mar é forçada, sob pressão,

através de uma série de membranas que removem fisicamente as moléculas de sal.

Em contraste com os sistemas de destilação, em que a separação ocorre através da

diferença de temperaturas de evaporação, o processo de separação é, aqui,

determinado pelo tamanho e pelas diferenças de difusividade (KALOGIROU, 2005).

A seguir as formas de dessalinização indireta serão aprofundadas.

2.4 Multi Estágio Flash (MSF)

A técnica mais comum e simples para a dessalinização em larga escala é,

atualmente, a destilação multi estágio flash, que produz globalmente um total de cerca

de 10 milhões de toneladas de água potável todos os dias (LINDBLOM, 2003). O

processo do multi estágio flash é composto por uma série de elementos chamadas

estágios. Em cada estágio, vapor condensado é usado para preaquecer a alimentação

de água do mar. Além disso, tal sistema exige gradientes de pressão na planta.

Instalações atuais são projetadas possuindo 10 a 30 estágios, com 2 graus de queda

de temperatura por estágio (KALOGIROU, 2005). A seguir, a figura 2 mostra um

esquema representativo do MSF:

21

Figura 2 – Esquema do Dessalinizador Multi Estágio Flash


MSF é o processo de dessalinização mais amplamente usado em termos de

capacidade. Isto é devido à simplicidade do processo, características de

desempenho e controle de escala. Uma desvantagem do MSF é que níveis de

pressão precisamente definidos são requeridos nas diferentes etapas e, portanto,

alguns transientes de tempo são necessários para estabelecer o ritmo de operação

normal a planta (KALOGIROU, 2005).

2.5 Multi Efeito de Evaporação (MEE)

O processo de MEE também é composto de um certo número de estágios, que

são chamados efeitos. O vapor vindo de um efeito é utilizado como fluido de

aquecimento no próximo efeito e, enquanto condensa, provoca a evaporação de uma

parte da solução salina. O vapor produzido passa pelo efeito seguinte, onde, mais

uma vez, enquanto condensa, faz com que parte da outra solução salina evapore e

assim por diante. Este tipo de planta reduz tanto os requisitos de bombeamento

quanto as tendências de incrustação (KALOGIROU, 2005). A figura 3 mostra uma

representação do sistema MEE:

22

Figura 3 – Esquema do Dessalinizador Multi Efeito de Evaporação


2.6 Vapor Compressão (CV)

Em um sistema de vapor compressão, a recuperação de calor é baseada no

aumento da pressão de vapor de uma etapa, por meio de um compressor. A

temperatura de condensação é, assim, aumentada, e o vapor pode ser usado para

fornecer energia ao mesmo estágio de que veio ou para outros estágios. Como em

sistemas de MEE convencionais, o vapor produzido no primeiro efeito é usado como

a entrada de calor para o segundo efeito, que está a uma pressão inferior. O vapor

produzido no último efeito é então transferido ao compressor de vapor, onde é

comprimido e sua temperatura de saturação é levantada antes de ser devolvido ao

primeiro efeito, como pode ser notado na figura 4. O compressor representa a grande

entrada de energia para o sistema e, uma vez que o calor latente é efetivamente

reciclado em torno da planta, o processo tem potencial para assegurar elevada

performance (KALOGIROU, 2005). Na figura 4, segue esquema que representa o

sistema vapor compressão:

23

Figura 4 – Esquema do Dessalinizador Vapor Compressão


No entanto, esse tipo de sistema exige requisitos de energia mecânica que

necessitam ser fornecidos a partir de uma unidade principal, tal como um motor à

diesel. Portanto, o sistema de vapor compressão é mais usado em conjunto com um

sistema de MEE e operado em períodos de baixa incidência solar ou durante a noite

(KALOGIROU, 2005).

2.7 Osmose Reversa (RO)

O sistema de osmose reversa depende das propriedades de membranas

semipermeáveis que, quando usadas para separar a água potável a partir de uma

solução salina, permitem que ela passe para o compartimento posterior sob a

influência da pressão osmótica. Se uma pressão acima deste valor é aplicada à

solução salina, somente água doce passará ao compartimento subsequente,

deixando os sais, que estavam dissolvidos, na membrana. Teoricamente, o único

requisito de energia é aquele necessário para bombear a água de alimentação a uma

pressão acima da pressão osmótica. Na prática, pressões mais elevadas devem ser

utilizadas, tipicamente numa faixa de 50 a 80 atm, a fim de ter uma quantidade

suficiente de água passando através de uma unidade de área da membrana. Como

mostrado no esquema representativo da figura 5, a alimentação de água do mar é

pressurizada por uma bomba de alta pressão e flui através da superfície da

24

membrana. Parte desta alimentação passa através da membrana, onde a maioria dos

sólidos dissolvidos são removidos. A parte que fica retida, junto com o restante dos

sais, é rejeitada a alta pressão (KALOGIROU, 2005).

Figura 5 – Esquema do Dessalinizador por Osmose Reversa


O processo da osmose reversa é explicado como sendo o oposto do processo

de osmose, sendo a membrana semipermeável, a responsável por realizar a

separação entre soluto e solvente. Para definirmos osmose reversa, é necessário,

primeiro, definir o processo de osmose. A osmose é um processo natural que

envolve o fluxo de fluido através de uma membrana semipermeável. Considerando

um tanque de água pura, com uma membrana semipermeável dividindo-o em duas

partes, se um sal solúvel em água é adicionado de um lado, o potencial químico da

solução de sal é reduzido. Portanto, fluxo osmótico, do lado da água pura, através

da membrana, para o lado da solução salina ocorrerá, até que o equilíbrio do

potencial químico seja restaurado. A pressão osmótica é uma propriedade da

solução proporcional a concentração de sal e independente da membrana

(HYDRANAUTICS, 2001).

Dito isso, é possível explicar o que ocorre no processo da osmose reversa, que

é o princípio que rege a filtração dos sais dissolvidos da água do mar. Para remover

a água doce de uma água com alta concentração salina usando a separação por

membrana, o processo natural de osmose precisa ser invertido, isto é, a água precisa

25

ser transferida do lado de maior concentração para o lado de menor concentração da

membrana. Para que tal reversão ocorra, a lado de alta salinidade precisa ser

pressurizado até um nível de pressão maior que o nível de pressão osmótica natural.

Esse processo de movimento forçado de água através da membrana na direção

oposta do gradiente de salinidade é conhecido como osmose reversa.

A característica chave das membranas semipermeáveis é que elas realizam a

passagem da água a uma taxa muito maior que a dos sólidos dissolvidos. As

membranas são, na realidade, filtros muito finos, e são muito sensíveis tanto a

incrustação biológica, quanto a não biológica. Para evitar o entupimento, é preciso

cuidado com o pré-tratamento da alimentação de água salina, sendo necessário que

ocorra antes que a água seja permitida entrar em contato com a superfície da

membrana (KALOGIROU, 2005). Na próxima seção, será feita uma apresentação e

detalhamento dos tipos de pré tratamento existentes, que são importantes no caso de

a escolha do projeto ser pela de dessalinização por osmose reversa, e da tipologia da

dessalinização.

2.7.1 Tratamentos prévios da água do mar

Para garantir uma boa vida útil às membranas, é preciso que a água chegue à

planta de dessalinização já com uma concentração mais baixa de partículas. A água

de alimentação, dependendo da sua fonte, pode conter altas concentrações de sólidos

suspendidos e matéria dissolvida. A eficácia do funcionamento do sistema de pré-

tratamento e a qualidade da água de alimentação são medidas em termos do índice

de densidade de sedimento (SDI). O SDI é uma medida da capacidade de filtração,

na osmose reversa, da água de alimentação que passa através de um filtro de

membrana com uma porosidade definida. A maioria dos fabricantes de membranas

especificam um limite máximo do SDI como 4 a 5. No entanto, para o desempenho

estável da membrana, o valor médio de SDI deve ser inferior a 3 (WILF; KLINKO,

1997).

26

Portanto, o pré tratamento é de suma importância visando propiciar, à

membrana semipermeável utilizada na osmose reversa, uma vida útil longa e que

evite uma troca constante da membrana, o que elevaria os custos do projeto. A seguir,

serão apresentados os tipos de pré tratamento existentes.

2.7.1.1 Pré Tratamento Convencional

O pré tratamento convencional para a água de alimentação advinda da

superfície do mar pode ser realizado através de diferentes configurações. Contudo,

uma das mais utilizadas e a adotada por esse estudo foi a explicitada no material

bibliográfico da Hydranautics. Tal configuração é constituída por uma cloração no

ponto de entrada, até uma concentração residual de 0,5 a 1,0 ppm (partes por milhão),

seguido por processos de coagulação e de floculação sequencialmente.

Posteriormente, partículas coloidais agregadas são removidas ao passar por dois

filtros de pressão, chamados filtros multimídia (multimedia filters). Depois dos filtros

de mídia, e antes da filtração em cartucho (cartridge filters), o inibidor de incrustações

e o bissulfito de sódio são adicionados à água de alimentação (WILF; KLINKO, 1997).

Esta configuração do sistema de pré tratamento é eficaz na redução do SDI da

água bruta, produzindo, em sua saída, uma água de alimentação que possui valores

do SDI num intervalo entre 2 a 3 unidades. Independentemente da configuração real

do sistema de pré-tratamento, a faixa acima do SDI, para a água de alimentação, é

muito comum para a maioria das plantas de água salgada que recebem água do mar

a partir de admissão aberta, isto é, a partir de captação direta. No entanto, o pré

tratamento convencional não representa uma barreira definitiva para partículas

coloidais e partículas em suspensão. Além disso, a qualidade da água de alimentação

produzida, varia significativamente em relação ao tipo da matéria particulada (WILF;

KLINKO,1997). Outra tecnologia de pré tratamento mais moderna, que consiste na

utilização de membranas capilares, será discutida na próxima seção.

27

2.7.1.2 Membranas Capilares

O uso de membranas como uma barreira definitiva no processo de pré

tratamento já havia sido proposto no passado. As membranas de ultrafiltração (UF) e

de microfiltração (MF) têm a capacidade de produzir água de alimentação com

qualidade significativamente melhor do que o processo convencional de pré

tratamento. No entanto, a configuração mais estabelecida na época, que era a

membrana de ultrafiltração, que possui elementos enrolados em espiral, não era

adequada para o tratamento de água de superfície com alto potencial de causar

incrustação, visto que elementos das membranas UF não poderiam operar com taxas

de fluxo elevados sem acarretar em incrustações graves nas superfícies das

membranas e entupimento dos canais de alimentação. Todavia, recentemente, novos

avanços na microfiltração e ultrafiltração têm sido apresentados.

O uso da tecnologia de membrana capilar como uma etapa de pré tratamento

pode melhorar a qualidade da água de alimentação para um nível comparável ou

melhor do que a qualidade da água a partir das fontes de água advindas de poços

(GLUECKSTERN; WILF; PRIEL, 2002). Em comparação com a tecnologia

convencional, a tecnologia capilar oferece um design modular, alta capacidade a partir

de uma pequena área necessária para instalação, sem necessidade de manipulação

contínua e dosagem de produtos químicos e exigências baixas de mão de obra. A

grande vantagem, contudo, é inerente à tecnologia da ultrafiltração, já que existe uma

barreira de membranas entre a água bruta e a água que vai chegar à planta de

dessalinização, o que permite grande redução de partículas coloidais e agentes

patogênicos. O custo da utilização do tratamento prévio através da membrana capilar

é estimado como sendo semelhante ao custo do pré-tratamento convencional, que

normalmente é o mais utilizado para a água de superfície do mar. O uso de tal

tecnologia simplifica o sistema de pré tratamento e reduz a utilização de produtos

químicos (WILF; KLINKO,1997). Dessa forma, o futuro do desenvolvimento da

tecnologia das membranas capilares aponta para a sua utilização em substituição ao

pré tratamento convencional.

28

2.8 Definição do dessalinizador e da fonte de energia

Pensando na produção de água potável, é trivial pensar que a maior fonte de

água está presente nos oceanos, necessitando apenas de passar por um processo

de dessalinização que seja viável economicamente. Pois é justamente nos oceanos

que uma fonte de energia constante e confiável, apesar de ainda pouco explorada,

pode ser utilizada, a energia das ondas.

O objetivo deste estudo é conseguir combinar uma fonte de energia alternativa

com um processo de dessalinização de água do mar, de maneira que a fonte primária

de energia seja aproveitada diretamente para a conversão em energia útil. Assim, é

possível evitar todas as perdas de energia que ocorrem durante as etapas de

conversão e tornar o projeto viável economicamente, através da eficiência energética.

Portanto, este estudo visa testar uma maneira que permita abrir mão da produção e

armazenamento de energia elétrica, em troca de uma conversão direta de energia da

fonte primária em pressurização linear da água. Entretanto, existem algumas

desvantagens em substituir o bombeamento com utilização de energia elétrica. A

desvantagem principal é que o armazenamento de energia em baterias não é

possível. Assim, a planta precisa operar a partir de uma fonte de alimentação de

energia menos constante, uma vez que o método para condicionamento da energia,

em um sistema puramente hidráulico, é o acumulador. Além disso, tais flutuações de

energia são sentidas mais diretamente no sistema e podem resultar em vidas mais

curtas e desempenho mais fraco das membranas, no caso de a dessalinização ser

por osmose reversa (YLÄNEN; LAMPINEN, 2014).

Nos próximos capítulos serão apresentados meios através dos quais seja

possível realizar o aproveitamento de tal energia das ondas e o dispositivo

desenvolvido pelo Programa de Planejamento Energético da COPPE/UFRJ para

pressurização linear da água dos oceanos utilizando o movimento das ondas.

Contudo, o resultado final deste projeto é a potência requerida necessária para

pressurizar água do mar até a costa, deixando a dessalinização em aberto, visto que,

dependendo da região e da finalidade do projeto de obtenção de água potável, o tipo

de dessalinização pode variar.

29

3. Energia das ondas

Impressionados pela força das ondas do oceano, os inventores e

pesquisadores vêm, por mais de dois séculos, propondo muitos dispositivos diferentes

para a utilização da energia das ondas para fins humanos. Como o petróleo tornou-

se a mais importante fonte moderna de energia, o interesse pela utilização da energia

dos oceanos praticamente desapareceu após a Primeira Guerra Mundial. No final dos

anos 1940, o pesquisador pioneiro Yoshio Masuda, começou a testar e desenvolver

dispositivos de energia das ondas. Outros dois pioneiros foram os europeus, Stephen

Salter e Kjell Budal, que iniciaram, em 1973, suas pesquisas nas Universidades da

Escócia e da Noruega, respectivamente. Nos anos que se seguiram à crise do

petróleo em 1973, pesquisadores de universidades e outras instituições passaram a

abordar o tema da energia das ondas. Contudo, durante o início dos anos 1980,

quando o preço do petróleo caiu, o financiamento das energias das ondas foi

drasticamente reduzido. Alguns protótipos de primeira geração foram, no entanto,

testados no mar. Mais recentemente, seguindo o Protocolo de Kyoto sobre a redução

das emissões de gás carbônico para a atmosfera, há um crescente interesse pela

pesquisa e desenvolvimento em energia de ondas em muitos países (FALNES, 2007).

Utilizar as ondas como fonte de energia renovável possui vantagens

significativas sobre outros métodos, como descrito a seguir:

(1) As ondas do mar oferecem a maior densidade energética dentre as fontes

de energia renováveis. As ondas são geradas por ventos, que por sua vez são

gerados pela energia solar. A intensidade da energia solar, que vai de 0,1 a 0,3 kW

por metro quadrado de superfície horizontal é convertida em uma intensidade média

de fluxo de potência de 2 a 3 kW por metro quadrado de um plano perpendicular à

direção de propagação da onda logo abaixo da superfície da água.

(2) Impacto ambiental limitado. Em geral, os dispositivos offshore possuem o

menor potencial de impacto.

30

(3) As ondas podem viajar grandes distâncias com pouca perda energia.

(4) É relatado por estudos que os dispositivos de energia de ondas podem gerar

energia em até 90% do tempo, em comparação com 20 a 30% do tempo para

dispositivos de energia eólica e solar (DREW; PLUMMER; SAHINKAYA, 2009).

3.1 Equações da energia das ondas

As ondas são comumente caracterizadas pela altura da onda (H), que é a altura

média do terço mais alto das ondas. Este é o único parâmetro de onda disponível em

todos os oceanos. Vale ressaltar que uma outra definição alternativa desta altura de

onda, é que ela corresponde a quatro vezes o quadrado médio da elevação da água

(DAVIES, 2005).

A potência por unidade de comprimento da crista da onda, em um estado de

mar aleatório, em águas profundas, é de:

P = ρ g2 H2 T / 64 π

onde T é o período entre ondas, ρ é a densidade da água do mar e g é a

aceleração gravidade. A expressão seguinte relaciona T com o comprimento de

onda λ:

λ = g T2 / 2 π

Outrossim, H está relacionado com o comprimento de onda pelo parâmetro β,

que representa a inclinação da onda, de acordo com a expressão a seguir:

β = λ / H

A combinação destas expressões mostradas acima leva a:

31

P = ρ H2,5 √(2 g3) / 64 √ (π β)

O valor observado de β geralmente está dentro de uma faixa bastante

estreita, que vai de 0,03 a 0,05. Tomando um valor nominal de β = 0,04, podemos

estimar a energia em uma determinada onda com base apenas na sua altura.

Considerando as variáveis P e H sendo expressos em unidades de kW / m e m,

respectivamente, a relação pode ser simplificada e escrita da seguinte forma:

P = 2 H2,5

Contudo, as ondas provenientes dos oceanos são matematicamente

complexas e, dessa forma, sua descrição completa depende de vários parâmetros.

Então, uma modelagem estatística é importante para auxiliar no desenvolvimento do

projeto dos conversores de energia (DAVIES, 2005).

3.2 Conversores de energia das ondas

Apesar de grandes variações no desenho de projeto, os conversores de energia

das ondas geralmente podem ser categorizados em tipo e localização.

3.2.1 Localização

A classificação de tais conversores de energia das ondas quanto a localização

pode ser feita em três categorias:

(1) Shoreline: dispositivos que trabalham na costa;

(2) Nearshore: dispositivos que trabalham próximos à costa;

32

(3) Offshore: dispositivos que trabalham longe da costa.

3.2.2 Tipo

Apesar da grande variação de desenhos e conceitos, os conversores de

energia das ondas podem ser classificados em três tipos predominantes:

(1) Atenuador: ficam paralelos à direção predominante das ondas.

(2) Ponto absorvedor: é um dispositivo que possui pequenas dimensões

relativas ao comprimento de onda incidente. Eles podem ser uma estrutura

flutuante que suba e desça na superfície da água ou submerso, abaixo da

superfície, dependendo do diferencial de pressão. Por causa de sua

pequena dimensão, a direção das ondas não é importante para tais

dispositivos.

(3) Terminador: tais dispositivos terminadores têm o seu eixo principal paralelo

à direção da frente de onda (perpendicular à direção de propagação da

onda) e interceptam fisicamente as ondas (DREW; PLUMMER;

SAHINKAYA, 2009).

3.3 Dispositivos de Bombeamento

A seguir, serão descritos os dispositivos que utilizam a energia das ondas para

a realização do bombeamento de água, de forma parecida com que o flutuador,

desenvolvido pelo grupo de pesquisa do Programa de Planejamento Energético da

COPPE/UFRJ, trabalhará.

33

3.3.1 Delbuoy

3.3.1.1 Princípio de Operação

O Delbuoy é um sistema que trabalha combinando o aproveitamento da energia

das ondas com uma planta de dessalinização por osmose reversa. O sistema é

formado por uma bóia cilíndrica leve que impulsiona uma bomba de deslocamento

positivo. A bomba é ancorada ao fundo do mar por meio de uma âncora, do tipo dead

weight, cheia de areia. Os movimentos das ondulações que chegam ao flutuador

fazem com que a bomba movimente o pistão no sentido de pressurizar o fluido, que é

a própria água do mar. Água do mar é admitida na bomba através de pré filtros, que

estão ali para remover partículas em suspensão, melhorando a qualidade da água de

alimentação. O fluxo de água do mar pressurizada, a partir da bomba, é regulado por

válvulas de retenção, com os surtos de pressão sendo amortecidos por acumuladores.

A saída da bomba passa, então, através do filtro de osmose reversa, que é

configurado para operar a uma taxa de conversão que vai de 25 a 30%. A água doce

é então transportada para a costa através de uma tubulação plástica de baixa pressão.

A grande razão entre a área do flutuador e a área do pistão permite que o sistema

amplifique a pressão dinâmica induzida até a pressão de 5500 kPa (800 psi), que é a

pressão necessária para a realização do processo de osmose reversa. Embora a

maioria dos trabalhos na área de conversão da energia das ondas ser focado em

sistemas altamente eficientes e ressonantes, o Delbuoy foi propositadamente

concebido para ser um sistema que trabalha fora da ressonância. Esta filosofia de

projeto reduziu a complexidade do sistema e, por conseguinte, permitiu que ele fosse

operado eficientemente numa gama muito mais vasta de condições de mar. (HICKS,

1989).

3.3.1.2 Local

A pesquisa e o desenvolvimento do dispositivo, realizado na University of

Delaware, nos Estados Unidos, abrangeu testes de tanque de onda, modelagem

34

matemática, testes de materiais e ensaios de sistemas marítimos. A partir de 1985, a

comercialização do Delbuoy foi realizada pela ISTI Delaware, Inc. (HICKS, 1989).

3.3.2 AquaBuOY


Os conversores de energia das ondas da AquaEnergy, empresa responsável

pelo desenvolvimento do flutuador, baseia-se no conceito de bóia de flutuação,

desenvolvido e patenteado por uma outra empresa parceira da AquaEnergy. A

transferência de energia do movimento das ondas do mar ocorre através da conversão

da componente vertical da energia cinética da onda em água pressurizada. Tal

conversão ocorre através de duas bombas mangueira (hose pumps) de ciclo

completo. A água é bombeada com o intuito de geração de energia, assim ela chega

até uma turbina Pelton, que possui um gerador convencional de eletricidade

(WEINSTEIN et al., 2004). Portanto, apesar do princípio de bombeamento ser

equivalente ao que desejamos implementar no projeto do Programa de Planejamento

Energético da COPPE/UFRJ, a finalidade do dispositivo aqui apresentado é diferente,

já que ele não tem como objetivo a produção de água dessalinizada.

Os conversores de energia das ondas do AquaBuOY são posicionados em

regiões offshore de forma a aproveitar o recurso das ondas onde elas são maiores e,

portanto, possuem maior energia. Dessa forma, os flutuadores não têm limitações de

densidade de potência que geralmente occorem com dispositivos que trabalham

onshore. As centrais elétricas offshore são flexíveis com relação ao tamanho, visto

que é possível, facilmente, instalar quantos flutuadores forem necessários no parque

de ondas. A profundidade da água na qual os osciladores trabalham variam de 150 a

250 pés e número total de conversores determina a capacidade da instalação. Ao

longo da costa oeste dos Estados Unidos e Canadá, é esperado que cada dispositivo

possa gerar até 250 kW de energia. Cada AquaBuOY possui, aproximadamente, de

15 a 20 pés de diâmetro, dimensionado de acordo com o grau de energia que se

35

deseja gerar e com o potencial energético usual dos mares no sítio de instalação. O

AquaBuOY consiste de dois componentes estruturais principais, que são eles o corpo

do flutuador e o tubo de aceleração, conforme pode ser visto na figura 6. O flutuador

exerce a função de se movimentar para cima e para baixo, devido às ondulações,

permitindo que a água seja admitida e descarregada do tubo de aceleração. Por outro

lado, o tubo de aceleração é um cilindro acoplado ao corpo do flutuador e aberto em

ambos os lados. Dessa forma, tal tubo permite a entrada e saída de água do mar sem

obstáculos em qualquer direção e o movimento alternado de água dentro do tubo atua

sobre o pistão, deslocando-o em fase em relação ao movimento do corpo do flutuador.

Sequencialmente, o movimento do pistão é então convertido em energia útil por um

PTO (Power Take-Off System), que são as bombas mangueira. A conversão final para

eletriicidade pode ocorrer tanto no mar quanto na costa, dependendo da configuração

do sistema (WEINSTEIN et al., 2004).

3.3.2.2 Local

A AquaEnergy Group Ltd., empresa responsável pelo desenvolvimento do

protótipo, foi formada em fevereiro de 2001, com o intuito de comercializar a tecnologia

de conversão das ondas em energia desenvolvida na Suécia. Nos Estados Unidos,

um consórcio está trabalhando na instalação de uma central de energia de onda em

Makah Bay, que fica localizada no estado de Washington (WEINSTEIN et al., 2004).

Figura 6 – AquaBuOY

Fonte: INHABIT (2007)

36

Abaixo segue a figura 7, representativa do flutuador do AquaBuOY:

Figura 7 – Flutuador do AquaBuOY

Fonte: INHABIT (2007)

3.3.3 McCabe Wave Pump


O dispositivo McCabe Wave Pump é um exemplo de um dispositivo atenuador

e consiste em três “flutuadores de aço” (steel pontoons), que são articulados juntos

ao longo de uma viga. Com a incidência das ondas, os pontoons se movem

relativamente um ao outro. Uma placa amortecedora está posicionada abaixo do

pontoon central, o que garante que ele permaneça imóvel e que os pontoons mais

externos se movam relativamente ao pontoon central, permitindo ao sistema que

possa variar o seu alinhamento de acordo com as ondas adjacentes que incidem

sobre o dispositivo. Bombas hidráulicas posicionadas entre o pontoon central e os

37

dois pontoons laterais são ativadas à medida que as ondas forçam estes pontoons

laterais para cima e para baixo.

O fluido hidráulico pressurizado é utilizado para pressurizar a água para

dessalinização ou até mesmo para geração de energia elétrica, ao utilizar a água

pressurizada para acionar uma turbina. Um conceito similar é utilizado pela máquina

Pelamis, um dos mais tradicionais dispositivos de geração de energia a partir das

ondas, que tem quatro seções cilíndricas flutuantes de 35 metros de comprimento por

3,5 metros de diâmetro, ligadas por três juntas articuladas (POULLIKKAS, 2014).

Portanto, o conceito de bombeamento do McCabe Wave Pump também é diferente

do conceito aplicado no dispositivo que está sendo desenvolvido na COPPE/UFRJ,

visto que a pressurização da água não é levada até a costa. Seu conceito consiste

em pressurizar a água por uma distância curta e realizar a dessalinização por osmose

reversa ainda em regiões offshore. Um dos motivos pelos quais o flutuador da

COPPE/UFRJ, provavelmente, não vai trabalhar com dessalinização por osmose

reversa reside no fato de seu bombeamento ocorrer por longas distâncias,

impossibilitando que o fluido chegue ao seu destino com uma alta pressurização.

Contudo, o McCabe Wave Pump, tal como o Delbuoy, assume o risco de verticalizar

todo o seu processo de dessalinização, realizando tanto o bombeamento como a

dessalinização longe da costa. A figura 8 mostra uma representação do dispositivo

McCabe Wave Pump.

Figura 8 – McCabe Wave Pump

Fonte: MAYNOOTH UNIVERSITY (2011)

38

3.3.3.2 Local

O dispositivo McCabe Wave Pump foi desenvolvido pelo pesquisador Peter

McCabe e um time de engenheiros da empresa Hydam Technology Ltd., em conjunto

com Michael McCormick, pesquisador na The Johns Hopkins University, nos Estados

Unidos. Depois de ser idealizado por Peter McCabe, um protótipo de 40 metros foi

testado na costa da Irlanda em 1996, no estuário de Shannon River, próximo a Kilbaha

em County Clare, com uma potência de 40 kW (POULLIKKAS, 2014).

3.3.4 AaltoRo


AaltoRO consiste em um conversor de energia do tipo WaveRoller, um gerador

adaptativo de pressão (APG), membranas padrão de Osmose Reversa e um

turbocompressor hidráulico, este último é utilizado para a realização de uma

recuperação de energia. Devido às suas características únicas, o padrão utilizado

para sistemas de osmose reversa não pode ser aplicado, desta forma, a solução do

sistema de dessalinização precisa ser customizada para tal dispositivo. Isso pode ser

exemplificado, espacialmente, no sistema de pré-tratamento escolhido, que difere dos

sistemas padrão. A pressão de operação ideal do AaltoRo foi determinada como

sendo de 45 bar, que é um valor abaixo do que o valor padrão, que fica na faixa de 60

a 65 bar. A operação a um nível de pressão de 45 bar permite que a taxa de

recuperação (recovery rate) seja mantida baixa, garantindo assim uma operação

segura para todo o sistema. O princípio de funcionamento é o seguinte:

primeiramente, o WaveRoller pressuriza a água do mar, já pré-filtrada a uma pressão

desejada. No sistema AaltoRO, o WaveRoller também abriga dois APGs, que visam

suavizar as flutuações de pressão causadas pela natureza oscilante das ondas. Em

segundo lugar, após a água ser pressurizada até a costa, são adicionados produtos

químicos, com o intuito de conter o crescimento biológico e a incrustação nas

membranas. Em terceiro lugar, um turbocompressor do tipo hidráulico atua como um

39

dispositivo de recuperação de energia e realiza uma pressurização da água do mar

até a pressão operacional desejada, utilizando energia derivada da salmoura. Em

quarto lugar, as membranas de osmose reversa realizam a dessalinização, onde o

produto final é a água com baixo índices de SDI. O pré-tratamento, entretanto,

apresenta desafios grandes ao oscilador. O WaveRoller, conversor de energia usado

pelo sistema AaltoRO, opera no fundo do mar, o que representa um desafio

considerável do ponto de vista técnico e econômico. A transferência da água do mar

até a costa é dispendiosa, porém realizável. O maior dos problemas surge justamente

no pré-tratamento da água do mar. Em sistemas de osmose reversa padrão, o pré-

tratamento é um processo multifásico complexo, realizado onshore, em parte por

necessidade, e em parte por questões econômicas. No sistema AaltoRO, todo o pré-

tratamento precisa ser feito no fundo do mar e, portanto, muitas das fases do processo

de pré-tratamento padrão não podem ser implementados, dificultando que se ache

uma solução (YLÄNEN; LAMPINEN, 2014). Nas figuras 9 e 10 serão mostradas as

partes principais do AaltoRO, que são: o WaveRoller, ou seja, o conversor de energia,

e o gerador adaptativo de pressão.

3.3.4.2 Local

O dispositivo de conversão de energia, WaveRoller, foi desenvolvido na

Finlândia, porém o sistema conhecido como AaltoRo ainda não passa da fase de

concepção, com estudos recentes buscando descobrir qual seria a pressão ótima de

operação do sistema. Dependendo da decisão sobre qual o nível de pressão é o mais

adequado para o funcionamento do sistema, o projeto operacional poderá ser focado

em uma direção desejada. Se o nível de pressão for muito elevado, o sistema será

forçado até o seu limite e, consequentemente, na teoria, a produção será aumentada.

No entanto, se o sistema é forçado até o seu limite, sua vida útil pode ser

comprometida e os custos de manutenção podem aumentar consideravelmente. Em

suma, é importante encontrar tal pressão de operação ideal, para permitir que a

operação seja viável, não só do ponto de vista econômico e financeiro, mas também

40

no sentido de garantir que o sistema seja robusto o suficiente para que os custos

operacionais não se tornem muito elevados (YLÄNEN; LAMPINEN, 2014).

Figura 9 – Concepção do WaveRoller

Fonte: YLÄNEN; LAMPINEN (2014)

Figura 10 – Concepção do Gerador Adaptativo de Pressão

Fonte: YLÄNEN; LAMPINEN (2014)

41

3.3.5 Seadog


Este dispositivo de bombeamento consiste em um bloco de flutuação, dentro

de uma câmara, que é utilizado para acionar uma bomba pistão. Tal bomba pistão

bombeia a água do mar, sob alta pressão, até a costa, onde essa água pressurizada

é aproveitada com o objetivo de realizar a dessalinização por osmose reversa ou, até

mesmo, para a produção de eletricidade. Em uma instalação típica, vários flutuadores

são dispostos paralelamente, em um parque de ondas, visando produzir uma alta taxa

de fluxo para a água do mar, a uma elevada pressão. É possível aumentar o número

de dispositivos de bombeamento facilmente e, assim, expandir a capacidade do

sistema. Entretanto, uma desvantagem deste dispositivo é que ele não pode equalizar

a mesma frequência das ondas e, portanto, sua eficiência é baixa. Do ponto de vista

do impacto ambiental, este pode ser considerado de médio a alto, uma vez que o leito

do mar deve ser preparado para construir as estruturas de base para as bombas. Isto

inclui a remoção de rochas, o nivelamento do leito e a colocação de esteiras para

proteção contra a escavação. Por outro lado, do ponto de vista da manutenção, a

preocupação gira em torno da incrustação biológica que pode ocorrer dentro dos tubos

e das bombas, que estarão expostas as intempéries do mar. A planta de

dessalinização, porém, é estabelecida onshore, protegida de tais condições e

permitindo fácil acesso para manutenção (CENTER FOR RENEWABLE AND

SUSTAINABLE ENERGY STUDIES, 2013). Nas figuras 11 e 12, pode-se observar

fotos do flutuador.

3.3.5.2 Local

Testes realizados em um tanque de ondas na Texas A&M University, em

College Station, no Texas, provaram que o dispositivo pode gerar energia de forma

consistente. Os pesquisadores estão, agora, procurando criar um campo de testes em

uma área costeira capaz de fornecer swells consistentes do oceano (xGYMAG, 2004).

42

Figura 11 – Seadog

Fonte: GLOBAL OCEANIC DESIGNS (2013)

Figura 12 – Instalação do Seadog

Fonte: GLOBAL OCEANIC DESIGNS (2013)

43

3.3.6 Oyster


A usina de dessalinização aqui descrita consiste em um conversor de energia

de onda do tipo Oyster diretamente acoplado a uma usina de dessalinização por

osmose reversa. O Oyster é um um conversor de energia de ondas que trabalha,

tipicamente, a uma profundidade de água de 12 metros. A ação das ondas no

conversor faz com que ele se mova para trás e para a frente e, tal movimento, é

resistido por uma bomba de dupla ação, que trabalha a alta pressão. Um conjunto de

válvulas de retenção retifica o fluxo da bomba de dupla ação para fornecer fluxo

unidirecional, isto é, em direção à costa. O fluxo é então condicionado usando um

acumulador cheio de gás de alta pressão, o que reduz as variações subsequentes de

pressão e fluxo. Além disso, para o caso de a pressão tornar-se demasiadamente

grande, existe uma vávula de alívio de pressão. A água pressurizada é alimentada

diretamente na planta de dessalinização por osmose reversa. O fluxo para as

membranas de osmose reversa é proporcionado por uma combinação de fluxo

diretamente produzido pela bomba de dupla ação, movida pelo conversor de energia

das ondas, e o fluxo impulsionado por um recuperador de energia, que atua na água

descartada. A água dessalinizada das membranas de osmose reversa é conduzida

até um recipiente de armazenamento de baixa pressão, enquanto a salmoura, isto é,

a água descartada rica em sais, é utilizada no dispositivo recuperador de pressão. Por

fim, a salmoura é devolvida ao mar. O sistema de recuperação de energia consiste

em dois cilindros e pistões opostos que compartilham a mesma haste do pistão.

Quando se utiliza tal sistema de recuperação de energia é possível manter o fluxo de

água de alimentação na membrana a uma taxa constante, o que amplia a faixa de

valores de produção de água na qual a planta pode operar. Por isso, o sistema de

recuperação de energia torna uma planta que combina energias renováveis, como a

energia das ondas, competitiva do ponto de vista da flexibilidade, e justamente essa

flexibilidade que o Oyster possui como maior vantagem (FOLLEY; WHITTAKER,

2009). A seguir, a figura 13 mostra uma representação do conversor de energia:

44

Figura 13 – Oyster

Fonte: FOLLEY; WHITTAKER (2009)

3.3.6.2 Local

O sistema de conversão de energia Oyster combinado com plantas de

dessalinização está em fase de pesquisas e ainda não foi implementado efetivamente.

Contudo, para a produção de energia na Escócia, a Aquamarine Power, empresa que

desenvolveu o dispositivo, reivindicou bons resultados após longos ensaios marítimos

de sua máquina de ondas Oyster 800. Os ensaios foram realizados no European

Marine Energy Centre em Orkney, na própria Escócia (BBC NEWS, 2015).

45

3.4 Oscilador do Programa de Planejamento Energético da

COPPE

O oscilador, desenvolvido pela Universidade Federal do Rio de Janeiro, no PPE

da COPPE, atualmente em fase de testes, pode ser categorizado como um ponto

absorvedor que trabalha em águas rasas, isto é, nearshore. A vantagem competitiva

em relação aos outros dispositivos é a aposta de que este dispositivo captará tanto a

energia potencial quanto a cinética das ondas, por isso poderá atuar em regiões rasas,

facilitando a sua instalação e manutenção, e, ainda assim, conseguirá produzir uma

quantidade de energia competitiva em relação aos dispositivos de conversão de

energia das ondas já existentes que atuam em águas profundas (offshore). Além

disso, o desenho de projeto do dispositivo possui uma configuração simétrica, o que

permite com que tal conversor possa aproveitar a energia de ondas que estão

chegando em múltiplas direções, ou seja, o swell não necessariamente precisa estar

vindo em um sentido específico para que a colheita da energia trabalhe em um ponto

ótimo.

Diferentes configurações e geometrias, tal como formas diferentes de realizar

um arranjo dos dispositivos, estão sendo estudadas pelo grupo de pesquisa visando

buscar um melhor aproveitamento da energia das ondas. A ideia é que o conversor

oscile dentro de uma estrutura de jaqueta que permite o seu movimento vertical, a

partir daí podendo pressurizar a água linearmente, que poderá ser bombeada ou

passar por uma turbina para que seja convertida em energia elétrica. A forma modular

do dispositivo e seu tamanho relativamente reduzido permitem com que ele possa ser

utilizado em regiões diferentes do Brasil e do mundo. Uma estimativa inicial, feita pelos

membros do grupo de pesquisa que estão trabalhando no desenvolvimento da

geometria e tamanho do flutuador, é a de que, para as condições de mar do litoral do

Ceará, o oscilador possa gerar aproximadamente 130 quilowatts de potência. Nas

figuras 14, 15, 16 e 17, seguem fotos de um protótipo em escala reduzida do oscilador,

primeiramente, parado, e depois, em um dos testes realizados no Instituto Nacional

de Pesquisas Hidroviárias (INPH), em parceria com a Marinha do Brasil. Nota-se que

o fio preto que sai do dispositivo é um acelerômetro a partir do qual é possível medir

46

a aceleração do dispositivo e, posteriormente, após derivar duas vezes, é possível

chegar ao deslocamento do dispositivo para um determinado período e frequência de

ondas.

Figura 14 – Foto 1 do Oscilador no INPH

Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)

Figura 15 – Foto 2 do Oscilador no INPH


47

Figura 16 – Foto 1 do Oscilador em Teste


Figura 17 – Foto 2 do Oscilador em Teste


48

3.4 Possibilidades de utilização do dispositivo e escolha da

dessalinização

O intuito desse estudo sempre foi analisar a potência requerida para que a água

do mar fosse linearmente pressurizada e bombeada até a costa. A partir daí, seria

possível escolher a melhor forma de realizar a dessalinização da água para gerar água

potável. Contudo, esta não é a única possibilidade de utilização do conversor de

energia, visto que é possível utilizá-lo para outras finalidades tais como: bombeamento

de água salobra para irrigação, no caso de o escopo do bombeamento não ser a

produção de água potável, e, claro, para a geração de energia. Mais à frente no

estudo, na próxima seção, será definido o local onde o projeto será aplicado como

estudo de caso. Portanto, apesar do caráter de intercambialidade ser o objetivo final,

de forma que este estudo possa ser aplicado em diferentes localidades, ao definir um

local onde o quebra mar seja muito distante da costa, será difícil pressurizar a água

para que esta atinja a pressão requerida para que a osmose reversa seja realizada.

Nesse contexto, a utilização do dispositivo ficará restringida ao bombeamento da água

salobra até a costa e, a partir desse momento, caberá a definição se a melhor

dessalinização a ser realizada é a dessalinização térmica ou a dessalinização por

osmose reversa. Vale ressaltar, que, caso a escolha seja feita pela dessalinização por

osmose reversa, a água deverá ser armazenada e pressurizada por bombas para

atingir a pressão necessária para que a osmose reversa ocorra.

Este estudo, como denotado anteriormente, visa realizar o bombeamento e a

dessalinização da forma mais eficiente possível e irá propor o bombeamento de água

até a costa somente com a utilização dos osciladores, isto é, sem a necessidade da

inclusão de bombas acionadas por eletricidade, tornando-o mais eficiente, já que não

precisará do input de energia externa ao sistema para a realização do mesmo.

49

4. Definição do local e do modelo de projeto

4.1 Sítio escolhido

Como já exposto anteriormente, uma das regiões com potencial energético das

ondas mais regular e frequente é a região do Nordeste. Por isso, o estudo de caso

que exemplificará a aplicabilidade do conceito deste estudo será feito no estado do

Ceará, mais especificamente na região do Pecém, visto que o potencial deste sítio é

um dos maiores e mais constantes do estado cearense. Por outro lado, o litoral do

Pecém é onde fica o porto do Pecém e, um pouco mais distante, a siderúrgica do

Pecém, esta que possui alta necessidade de abastecimento de água potável.

Ademais, a região Nordeste, periodicamente, vive problemas relacionados à seca.

Dessa forma, o abastecimento de água pode ser comprometido gravemente e a

dessalinização da água do mar pode vir a se tornar uma solução que permitirá que a

água de bacias e aquíferos sejam direcionadas à população, em vez de serem

comprometidas como recurso industrial. Abaixo segue a figura 18, foto da construção

da CSP, Companhia Siderúrgica do Pecém.

Figura 18 – Foto da CSP em construção

Fonte: AGÊNCIA DE DESENVOLVIMENTO DO ESTADO DO CEARÁ S.A.(2016)

50

Segundo Berthyer Peixoto (2014), chefe de gabinete da Companhia de Gestão

dos Recursos Hídricos do Ceará, ou COGERH, a água fornecida para o Complexo do

Pecém é de origem do açude Castanhão, o maior do América Latina. O volume

necessário para o abastecimento humano e das indústrias até janeiro de 2015 era de

400 milhões de metros cúbicos na região metropolitana de Fortaleza e Complexo do

Pecém. Com seca perseverante durante três anos, os açudes obviamente sofreriam

as consequências. E muitos secaram, comprometendo o abastecimento de alguns

municípios. Por isso, os municípios que estavam em regime diferenciado de

abastecimento foram mapeados e um estudo foi realizado para buscar alternativas

para a segurança hídrica. As consequências da seca também se refletiram na

agricultura do Ceará. Segundo Flávio Saboya (2014), presidente da Federação da

Agricultura e Pecuária do Estado do Ceará, ou FAEC, há racionamento de água na

irrigação, com restrição de dias, pois a prioridade é o consumo humano e a tendência

é piorar. A cultura permanente é a mais atingida, por necessitar de um tempo maior

de espera para colher a safra (TRIBUNA DO CEARÁ, 2014).

Em 2016, enfrentando o quinto ano consecutivo de seca, o Ceará sofre com a

escassez de água. Um dos setores que vem sentindo diretamente este impacto e se

preocupa com a situação é a indústria. Reaproveitamento e reuso da água, além de

projetos para promover o consumo consciente e verificação constante das instalações

hidráulicas, estão sendo adotadas por empresas localizadas no Complexo Industrial

e Portuário do Pecém, ou CIPP, em São Gonçalo do Amarante. Atualmente, a

Companhia Siderúrgica do Pecém, ou CSP, tem 100% da demanda da siderúrgica

abastecida pelo Governo do Estado, por meio da Companhia de Gestão dos Recursos

Hídricos. Nesta fase final de construção, o consumo de água ainda não atingiu o

previsto para a operação normal, que é de 0,6 m³/s, com potencial de redução para

0,45 m³/s a partir da implantação do Projeto Descarte Zero. Como alternativa para a

escassez de água no estado, a siderúrgica afirma que possui tecnologia de ponta

projetada para o consumo eficiente de água e investe em projetos para aperfeiçoar o

reuso de água, bem como alternativas de suprimento (ASSOCIAÇÃO DAS

EMPRESAS DO COMPLEXO INDUSTRIAL E PORTUÁRIO DO PECÉM, 2016).

Percebe-se que a importância dos açudes, fonte de água potável na região, para o

consumo humano e agricultura, é considerável. Por isso, alternativas para a indústria

51

precisam ser levantadas e esse estudo tem o intuito de levar inovação à região para

combater tais problemas relacionados à seca.

Portanto, a solução apresentada por esse projeto, propõe à CSP, localizada

em uma região que possui potencial energético dos oceanos considerável, a se tornar

autossuficiente em abastecimento de água, de uma forma energeticamente eficiente.

A ideia é que o bombeamento de água possa ser feito a partir do quebra mar, no porto

de Pecém, que fica a aproximadamente 3 quilômetros da costa. Quando a água

chegar à costa, a dessalinização a ser feita pode ser tanto por osmose reversa ou

térmica, porém, como a aplicação é industrial, a solução técnica da dessalinização

térmica é a mais recomendada, até pelo fato de o objetivo do estudo ser a substituição

das bombas elétricas por conversores de energia, aumentando a eficiência energética

global. Contudo, este estudo focará no bombeamento eficiente, deixando a

dessalinização térmica como uma recomendação a ser aplicada no porto do Pecém.

Um programa será criado no Microsoft Excel visando calcular qual a distância

um conversor com potência de 130 quilowatts consegue bombear, considerando as

perdas de carga globais e singulares. A partir desse ponto, será possível estimar

quantas estações de bombeio serão requeridas para que o bombeamento completo,

desde o quebra mar até a costa, seja realizado. Outra sugestão que será dada é

relativa ao cálculo inverso, ou seja, será proposta uma configuração de dutos e

sugerido qual a potência o oscilador precisaria alcançar para realizar o bombeamento.

A ideia inicial é colocar um conversor e dar um espaço suficiente para colocar o

próximo, de maneira que os fenômenos de difração e refração das ondas, ao incidir

no primeiro oscilador, não afetem a captação de energia do próximo oscilador. Como

o destino final da água bombeada é a siderúrgica do Pecém, que fica a cerca de 7

quilômetros do porto do Pecém, a água potável, após a dessalinização, ainda

precisará ser transportada até o destino final. Esse último transporte ficará fora do

escopo desse estudo.

52

4.2 Captação da água no Porto do Pecém

Oportunamente, como pode-se notar na figura 19, o sítio do Pecém possui um

acúmulo de água na região lateral do quebra mar que realiza uma pré filtragem da

água, facilitando a captação indireta da água do mar através de uma bomba de

recalque.

Figura 19 – Pré Filtragem na Região do Pecém

Fonte: Elaborada pelo Autor no Google Earth (2016)

Esse estudo não entrará no mérito de projetar tal bomba, porém, há no grupo

de pesquisa do Programa de Planejamento Energético da COPPE/UFRJ, alunos da

engenharia mecânica trabalhando com este tema, e que poderão unir seus estudos a

este visando a implementação real do projeto.

4.3 Arranjo dos dispositivos no quebra mar

É sabido que a potência requerida para realizar o bombeamento desde o

quebra mar até a costa não será uma potência baixa, mesmo antes da realização de

qualquer cálculo. Por isso, é previsto que seja necessário combinar a potência de

53

vários osciladores trabalhando em conjunto de forma que possa vencer toda a perda

de carga a qual o escoamento estará submetido dentro desses 3000 metros de

tubulação. A primeira dúvida que surge é quanto ao efeito de difração e refração das

ondas nos osciladores, isto é, estando os dispositivos trabalhando em série, qual a

potência que o segundo oscilador poderia gerar, caso a onda perdesse energia ao

incidir no primeiro oscilador. A resposta para essa pergunta é bastante satisfatória ao

analisar o sítio escolhido para a implementação do projeto e a resposta virá da tese

de doutorado do pesquisador Eliab Beserra (2007), que apresenta um tratamento

estatístico para potência, altura e, o mais importante para esta seção, a direção a qual

a onda atinge a costa.

As ondas que atingem o litoral do Ceará são formadas de duas diferentes

formas: por ondas que se formam através da ação do vento local e pelas ondas que

chamadas swell, que são sazonais. Sabendo que a região possui mais de 75% das

ondas que atingem o litoral com uma altura que varia de 1,25 a 2 metros, é possível

inferir que existe uma boa regularidade ao longo do ano. Além disso, o período das

ondas é pequeno, variando de 5 a 9 segundos, com uma direção pouco variada,

conforme demonstrado na figura 20 (BESERRA, 2007). Portanto, a região do Pecém,

situada no litoral do Ceará, é considerada uma ótima região para instalação de uma

planta de dessalinização combinada com a energia das ondas.

Figura 20 – Direção de Ondas no Pecém

Fonte: BESERRA (2007)

54

Na figura 20, retirada da tese do Eliab Beserra (2007), é possível notar que

mais de 30% das ondas que chegam à costa do Pecém na direção ESE (entre o leste

e o sudeste) e, em torno de 20%, chegam à costa na direção leste. Por isso, uma

configuração como mostrada na figura 40, se mostra perfeita uma vez que as ondas

atingirão os osciladores, num grau estatístico elevado, de forma igual, ou seja, na

direção entre leste e sudeste. Na figura 21, é possível reparar uma bússola no canto

superior direito que possui um marco branco que indica a direção norte. Os pontos

marcados em vermelho e azul mostram uma configuração possível para os

osciladores de forma que recebam as ondas na direção supracitada, a mais provável

de chegada da ondulação. Consequentemente, os osciladores não serão impactados

pelos efeitos de refração e difração das ondas e o arranjo dos dispositivos se mostra

uma solução possível. Mais a frente nesse estudo, será apresentado o conceito das

estações de bombeio e como o arranjo dos osciladores, dessa maneira, ajudará na

concepção do projeto.

Figura 21 – Arranjo dos Osciladores


55

4.4 Dessalinização térmica

A dessalinização definida para esse estudo foi a dessalinização térmica por ser

alternativa mais viável à proposta de bombear água até a costa. Além disso, apesar

do custo fixo ser maior, seu custo operacional é menor, evitando problemas com

manutenção e troca de membranas, muito comuns na dessalinização por osmose

reversa. A dessalinização térmica, recomendada por esse estudo, será realizada

através do programa desenvolvido pelo pesquisador Rodrigo Klim Gomes (2011) em

sua tese de mestrado “A Dessalinização Térmica Como Alternativa Para

Abastecimento de Água”. Segundo Klim (2011), a dessalinização térmica pode ser

feita por um sistema horizontal ou vertical. Os dessalinizadores horizontais são

amplamente utilizados, contudo, em seu trabalho, foi utilizada a configuração vertical.

O sistema é dividido em câmaras, ou células, que no caso em estudo estarão

dispostas verticalmente. Os elementos que compõem o sistema de dessalinização

térmica são: câmara de dispersão (flash chamber), evaporador, filtro, pré-aquecedor,

misturador de vapor e misturador de condensado. Além disso, na última célula,

encontra-se também o condensador de vapor (GOMES, 2011). Na figura 22, é

possível notar o esboço do sistema vertical.

O resultado do trabalho do Rodrigo Klim Gomes (2011) foi um programa

desenvolvido em Microsoft Excel e Visual Basic que possibilita a visualização de

diversos cenários de maneira rápida, permitindo a alteração de diversos parâmetros

do problema, englobando, inclusive, a estimativa de custos do projeto. Portanto, esse

projeto recomenda a utilização da ferramenta desenvolvida citada acima para

dimensionamento da planta de dessalinização térmica.

56

Figura 22 – Sistema Vertical de Dessalinização Térmica

Fonte: GOMES (2011)

57

5. Estudo de casos

Neste capítulo, mostrar-se-á a metodologia que foi utilizada para a realização

dos cálculos e serão analisados os resultados obtidos a partir do modelo criado no

programa Microsoft Excel, onde é possível combinar parâmetros de forma a encontrar

diferentes soluções para o problema do bombeamento. Em tal modelo, é possível

escolher algumas entradas para as variáveis explicadas abaixo. Além disso, alguns

parâmetros definidos para os cálculos serão mostrados e justificados:

(1) Material: a escolha fica entre dois materiais que são eles aço galvanizado

(aço consagrado na utilização em dutos submarinos) e o HDPE (polietileno

de alta densidade e com menor atrito que o aço).

(2) É possível definir também a profundidade do mar no local onde o oscilador

trabalhará e a elevação do destino final, variáveis importantes para o cáculo

da altura manométrica, proveniente do Teorema de Bernoulli. Na planilha

estes valores já estão definidos para o quebra mar e porto do Pecém.

Porém, quando o projeto for aplicado para uma outra região, bastará alterar

tais valores para o programa gerar cenários para a nova região.

(3) O comprimento da tubulação também pode ser modificado nos mesmos

moldes e motivos do item anterior.

(4) A eficiência global da planta de dessalinização e a eficiência do oscilador

também podem ser modificados. Para os cálculos que serão realizados a

seguir, foram definidos os valores de eficiência de 20% para a planta de

dessalinização e o valor de 80% como eficiência do oscilador. Ainda não

possuímos tais valores exatos, por isso a escolha se baseou em plantas de

58

dessalinização já existentes e um valor médio de eficiência de uma bomba

pistão.

(5) A demanda de água da siderúrgica também pode ser modificada. A entrada

de 0,45 m3/s foi escolhida por motivos já explicitados no capítulo 4 deste

estudo.

(6) Um problema encontrado nos primeiros resultados obtidos foi o de que a

ordem de grandeza da potência requerida para bombear a água até a costa

era muito maior do que a potência oferecida por um oscilador. A solução

encontrada para reduzir a perda de carga foi dividir o bombeamento em

vários dutos, de forma a reduzir a vazão e, consequentemente, diminuir a

perda de carga. Assim é possível conseguir resultados de potência

requerida mais próximos da potência oferecida pelo oscilador. Então,

também é possível escolher a entrada do número de dutos na planilha.

(7) Os valores referentes às perdas de carga localizadas, isto é, nas

singularidades, foram retirados do livro texto “Bombas Industriais” do

professor Reinaldo de Falco (1998), da engenharia mecânica da Escola

Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro.

Com tais restrições devidamente estabelecidas, é possível modificar a planilha

livremente de forma a encontrar a melhor solução técnica possível na realização do

bombeamento. Tal estudo não entrará no mérito de definir qual das soluções é mais

viável economicamente, contudo este projeto fornece as ferramentas necessárias

para comparar diversas soluções e escolher aquela que for mais viável tanto

economicamente quanto do ponto de vista técnico da instalação e manutenção dos

dutos. Outrossim, também será comentado, posteriormente, a ideia da instalação de

estações de bombeio, que foi mais uma solução encontrada para atingir a potência

requerida para o bombeamento a ser executado.

59

5.1 Cálculo das perdas de carga

O cálculo das perdas de carga dependerá da extensão da tubulação a ser

instalada no porto de Pecém, de sua altimetria e dos materiais a serem utilizados nos

dutos. Para realizar tais medições será utilizado o auxílio da ferramenta Google Earth,

visando obter, não só o comprimento total de tubulação necessária, mas também os

trechos que serão definidos para o cálculo das perdas de carga localizadas. O

dispositivo deverá trabalhar próximo do quebra mar do porto de Pecém, tão próximo

que se possa construir uma passarela unindo as duas estruturas para passagem à

pés, de maneira que se possa realizar a travessia de maneira facilitada. Por isso, o

oscilador deve ficar não mais distante que 30m do quebra mar. Abaixo, na figura 23,

segue imagem da medição aproximada do caminho da tubulação, desde o quebra

mar, até o Porto do Pecém:

Figura 23 – Caminho da Tubulação até o Porto do Pecém


Apesar de a medição do Google Earth mostrar uma profundidade de 11

metros no quebra mar, segundo o pesquisador Eliab Ricarte Beserra (2007), dados

atualizados mostram que tal valor é de 17 metros e, por isso, esta foi a entrada na

planilha. Uma outra observação a se ressaltar é que o ponto final e objetivo de

60

atendimento é a siderúrgica de Pecém, que fica ainda a uma determinada distância

do porto. Apesar de não ser o papel desse estudo realizar a segunda parte do

bombeamento, a sugestão é que esta segunda parte da linha de dutos procure

seguir o trajeto da esteira de desembarque de carvão, que liga o porto à planta da

siderúrgica, pois já é um espaço que lhes pertence. Desta maneira, ainda

precisariam ser percorridos em torno de 7 quilômetros com os dutos, segundo as

distâncias do Google Earth, como pode ser visto na figura 24.

Figura 24 – Caminho da Tubulação até a CSP


As perdas de carga são um fenômeno que ocorre no escoamento de fluidos

em dutos, consequência da dissipação de energia causada pelo atrito entre as

61

partículas do fluido e a parede da tubulação. A explicação reside no fato de as

partículas mais próximas à parede possuírem a mesma velocidade da mesma, ou

seja, velocidade nula. Através de viscosidade e turbulência, as partículas passam a

influir nas partículas ao seu redor, acarretando na dissipação de energia e

provocando um abaixamento da pressão total do fluido ao longo do escoamento.

Existem dois tipos de perdas de carga, que são elas a perda de carga distribuída, ao

longo do comprimento da tubulação, e as perdas de carga localizadas, que são

ocasionadas por singularidades como conexões, válvulas e curvas.

O método escolhido para o cálculo da perda de cargas foi o método do

comprimento equivalente, que consiste em fixar o valor do comprimento reto de

tubulação que reproduziria, nas mesmas condições, a mesma perda carga que a

singularidade em questão (RODRIGUES, 2011). Os comprimentos equivalentes das

singularidades existentes na tubulação são “somados” ao comprimento físico da

tubulação proporcionando um comprimento equivalente, isto é, soma-se ao

comprimento original a ser vencido pelo oscilador, um comprimento referente às

perdas de carga localizadas. Por exemplo, se o comprimento da tubulação é de 10

metros e as perdas de cargas correspondem a uma tubulação de 2 metros, a potência

de bombeamento requerida seria a necessária para vencer 12 metros de tubulação.

Portanto, tal comprimento equivalente possibilita abordar o sistema de transporte de

fluido como se consistisse em um único conduto retilíneo. Nessa condição a perda de

carga total do sistema pode ser analisada, nas equações, substituindo o comprimento

inicial das tubulações submarinas pelo comprimento equivalente.

No estudo em questão, o comprimento de tubulação a ser vencido, do quebra

mar até a costa, é de 3000 metros, sem considerar as perdas de carga por

singularidade. Na planilha tais perdas são consideradas, porém são quase que

desprezíveis devido ao grande comprimento requisitado. Mais à frente, esse

comprimento pode ser dividido em estações de bombeio, visando facilitar o trabalho

exigido e diminuir a potência requerida para vencer os trajetos, que serão menores. A

seguir serão definidos os trechos a serem calculados e as perdas de carga localizadas

consideradas nos cálculos.

62

5.2 Estações de bombeio

O conceito das estações de bombeio é dividir a potência requerida aos

osciladores por diversos dispositivos. Entretanto, a primeira dúvida que surge é quanto

aos fenômenos de difração e refração das ondas, isto é, a questão é se seria possível

ao segundo oscilador gerar a mesma potência que o primeiro, uma vez que parte da

energia da onda já haveria sido destruída previamente. A resposta a esse

questionamento está no padrão das ondas no sítio. Cerca de 35% das ondas chega

na direção sudeste e, por isso, é possível posicionar as estações de bombeio

conforme na figura 40, apresentada anteriormente.

Na figura 40, é possível reparar que o arranjo permite que todos os osciladores

possam receber a maior parte das ondas que chegam à costa, na direção entre leste

e sudeste, no sítio do Pecém. No capítulo 4, foi explicado o porquê da escolha do

Pecém como sítio e foi mostrado estudos que definem as probabilidades de direção

de chegada das ondas à costa cearense. Dessa forma, os efeitos de difração e

refração das ondas ficam reduzidos e é possível sim utilizar o conceito de estações

de bombeio para a realização do bombeamento. Contudo, o último oscilador precisa

estar antes do fim do quebra mar, ou seja, ele precisará bombear o equivalente à 2000

metros.

É possível pensar, inclusive, em diferentes tamanhos de diâmetro em cada

estação de bombeio, de forma a garantir o menor custo possível para a instalação e

manutenção dos dutos. Por exemplo, pode-se vislumbrar um cenário onde, a última

estação, que precisa bombear por 2000 metros, utilize uma vazão dividida por 15

dutos, enquanto os primeiros 1000 metros de bombeamento sejam contemplados por

diversas estações que garantam o bombeamento com uma necessidade menor de

dutos e diminuindo o custo final do projeto. Uma vez mais reitera-se que a ferramenta

que este estudo disponibiliza permite conjecturar diversos cenários e combinações de

possibilidades para a solução do bombeamento, sendo que cada sítio onde o projeto

puder ser aplicado, possui suas peculiaridades e, portanto, cenários diferentes dos

escolhidos para o porto do Pecém podem ser aplicados em outros lugares.

63

5.3 Método do comprimento equivalente aplicado

A perda de carga distribuída será calculada nos três trechos retos (B-C) e (C-

D), enquanto a perda de carga localizada será calculada para o trecho (A-B) e para

as válvulas de entrada e saída dos dutos. A segmentação do trecho reto se deu de

forma a facilitar a divisão das estações de bombeio. Como o quebra mar facilita a

conexão com a estação, colocar-se-á como limite da última estação o fim do quebra

mar. Portanto, ao último oscilador, será requisitado uma potência que vença o trecho

(C-D). Abaixo segue a divisão dos trechos:

(A-B): Curva de 90 graus no quebra mar.

(B-C): Trecho de 1000 metros até o fim do quebra mar.

(C-D): Trecho de 2000 metros do fim do quebra mar até o porto.

Vale ressaltar, novamente, que as perdas de carga localizadas são

praticamente desprezíveis quando comparadas a perda de carga distribuída, portanto,

ainda que exista divisão da vazão em diversos dutos e a perda de carga localizada

seja multiplicada pelo número de tais dutos, o efeito no saldo final da potência

requerida é pequeno e não compromete a melhora do resultado final.

5.4 Programa desenvolvido no Microsoft Excel

O intuito desta seção é apresentar as telas disponíveis na ferramenta Microsoft

Excel, de forma que, na próxima seção, apenas a tela com os resultados seja

apresentada, visando que as figuras não se tornem repetitivas. As figuras 25, 26, 27

e 28, a seguir, são referentes às telas do estudo de caso do cenário 1, a ser

apresentado na próxima seção, porém são mostradas aqui para identificação das telas

disponíveis no programa.

64

Figura 25 – Tela dos Parâmetros Iniciais


Figura 26 – Tela dos Cálculos Iniciais


Figura 27 – Tela dos Comprimentos Equivalentes


65

Figura 28 – Tela dos Cálculos Finais


É possível perceber que são 4 telas principais, onde a primeira delas diz

respeito à parâmetros já conhecidos e à entrada de dados importantes tais como o

material do duto, à estimativa do diâmetro e ao número de dutos necessário. Já a

segunda tela refere-se a cálculos iniciais e à definição do número de Reynolds e do

regime de escoamento. A terceira tela, por sua vez, fornece a entrada das

singularidades e seus respectivos valores de comprimento equivalente. Por fim, à

quarta tela mostra os resultados finais dos cálculos, como os valores da perda de

carga, altura manométrica e da potência requerida.

5.5 Estudo de Caso

5.5.1 Estudo de Caso – Cenário 1

O primeiro cenário buscou conseguir realizar o bombeamento, através dos

3000 metros, com um duto de aço galvanizado e sem estações de bombeio, isto é,

com apenas um oscilador que fornece a potência de 130 kW. Neste primeiro cenário,

ainda não havia sido colocada a possibilidade de modificação do material para o

HDPE, que, nos próximos cenários, impactarão positivamente os resultados devido a

redução do atrito e, consequentemente, da perda de carga. Neste cenário, foram

66

testados três diâmetros de duto possíveis. Abaixo, seguem as figuras 29 e 30

referentes aos resultados dos cálculos realizados na planilha, primeiramente para

dutos de 40 polegadas, onde a vazão precisou ser dividida por 8 dutos para a

realização do bombeamento.

Figura 29 – Parâmetros Iniciais do Cenário 1 com Diâmetro de 40 polegadas


Figura 30 – Cálculos Finais do Cenário 1 com Diâmetro de 40 polegadas


67

Portanto, a representação da configuração dos dutos pode ser observada na

figura 31:

Figura 31 – Configuração dos Dutos do Cenário 1 com Diâmetro de 40 polegadas


Nas figuras 32 e 33, estarão os resultados para dutos de 20 polegadas e a

necessidade da divisão da vazão em 16 dutos de forma que a potência requerida pelo

bombeamento fique abaixo de 130 kW.



68



Assim, a configuração dos dutos fica expressa tal como na representação da

figura 34:



69

Os testes realizados para dutos de 10 polegadas ficaram com uma potência

requerida com ordem de grandeza excessivamente grande e a solução ficaria

inviabilizada do ponto de vista prático, uma vez que a vazão precisaria ser divida entre

dezenas de dutos. Abaixo, segue a figura 35 com a potência requerida para o

bombeamento em 1 duto de 10 polegadas:



Em suma, nesse primeiro cenário tem-se uma solução tecnicamente possível,

onde a potência requerida ao bombeamento ficou em 121 kW e 122 kW, para os dutos

de 40 e 20 polegadas, respectivamente. Porém, são 8 dutos de 40 polegadas ou 16

dutos de 20 polegadas. A partir deste ponto, buscou-se alternativas para melhorar a

solução a partir do próximo cenário.


Neste segundo cenário se modificou o material para o HDPE (High Density

Polyethylene), conhecido em português como PEAD (Polietileno de Alta Densidade),

porém, como já exposto anteriormente, o aço continua sendo uma opção da planilha

em caso dessa ser a escolha em futuros projetos. Ainda se mantém a ideia de

realização do bombeamento com apenas um oscilador, sem estações de bombeio.

Este cenário visa descobrir qual a diferença a mudança de material acarretou nos

resultados finais do cálculo da potência requerida. Abaixo, segue, primeiramente, as

figuras 36 e 37 com os resultados referentes à 40 polegadas:

70





Percebe-se em tais resultados que, para dutos de 40 polegadas, a mudança da

potência requerida foi muito pequena com a mudança do material. Além disso, foi

necessário a manutenção da divisão da vazão em 8 dutos para a realização do

bombeamento e a configuração dos dutos é mesma da figura 31. Abaixo, seguem as

figuras 38 e 39 com os resultados para dutos de 20 polegadas:

71





Diferentemente do caso dos dutos de 40 polegadas, para o duto de 20

polegadas pode-se observar uma redução do número de dutos necessários de 16

para 15 dutos, e ainda uma folga maior na potência requerida em relação à potência

do oscilador, visto que no cenário 1, a potência requerida era de 122 kW e agora

passou a 119 kW com um duto a menos. Portanto, é possível inferir que para dutos

de 40 polegadas o efeito da mudança do material não se mostrou eficaz, enquanto

que para dutos de 20 polegadas a modificação foi exitosa. A seguir, a figura 40

representa esta nova configuração de dutos para o material HDPE.

72




No cenário 3, inserir-se-á na análise as estações de bombeio. Para este

contexto, pode-se combinar diversas possibilidades de estações de bombeio,

podendo inclusive variar o número de dutos dependendo do trecho analisado, uma

vez que as diferenças de altura a serem vencidas se modificam de trecho para trecho.

A única restrição a ser respeitada é a de que o último trecho precisará ser ao fim do

quebra mar, por uma questão de facilidade de acesso para manutenção dos

dispositivos. A configuração escolhida para o cenário foi a de colocar quatro

osciladores dentro do primeiro terço do comprimento total, de 1000 metros, e depois

73

mais um quinto oscilador que bombeia o restante do caminho. O diâmetro escolhido

para o cenário foi o de 20 polegadas e os resultados seguem nas figuras 41, 42 e 43:

Figura 41 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Primeiro Trecho com Diâmetro de 20 polegadas


Figura 42 – Comprimentos Equivalentes do Cenário 3: Primeiro Trecho com Diâmetro de 20

polegadas


Figura 43 – Cálculos Finais do Cenário 3: Primeiro Trecho com Diâmetro de 20 polegadas


74

Nas figuras acima repara-se que para esse primeiro segmento de 250 metros,

a altimetria varia de uma profundidade de 17 metros até uma profundidade de 11

metros. Ademais, serão precisos 4 dutos de 20 polegadas para realizar o

bombeamento, a uma potência requerida de 119 kW. Vale ressaltar também, na figura

acima, que este primeiro segmento de 250 metros é o único onde a perda de carga

da curva será computada, pois é a única curva presente no total dos 3000 metros. A

seguir, as figuras 44, 45 e 46 tratarão do segundo trecho que vai de 250 metros até

550 metros de comprimento. Neste trecho foi possível percorrer 300 metros, uma

distância de 50 metros maior que o trecho anterior. Isso ocorreu uma vez que a

variação da altimetria deste segmento foi menor do que a variação do primeiro trecho.

Os trechos subsequentes, ou seja, o terceiro e o quarto, a serem mostrados

posteriormente, terão comprimento de 200 metros. Essas distâncias foram escolhidas

de forma a sempre atingir uma potência requerida perto dos 130 kW disponíveis em

cada oscilador, dessa forma maximizando o potencial de cada dispositivo.

Figura 44 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Segundo Trecho com Diâmetro de 20 polegadas


75

Figura 45 – Comprimentos Equivalentes do Cenário 3: Segundo Trecho com Diâmetro de 20

polegadas


Figura 46 – Cálculos Finais do Cenário 3: Segundo Trecho com Diâmetro de 20 polegadas


Observa-se que a potência requerida ficou em 117 kW, novamente para a

vazão dividida em 4 dutos. A seguir, poderá ser visto a análise do terceiro trecho nas

figuras 47 e 48:

Figura 47 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Terceiro Trecho com Diâmetro de 20 polegadas


76

Figura 48 – Cálculos Finais do Cenário 3: Terceiro Trecho com Diâmetro de 20 polegadas


Nota-se que neste terceiro trecho, consegue-se reduzir o número de dutos para

três e o mesmo acontecerá no quarto trecho, que irá de da posição de 750 metros até

950 metros, deixando, para o último oscilador, a incumbência de bombear os últimos

2050 metros. Abaixo, seguem os resultados do quarto trecho nas figuras 49 e 50:

Figura 49 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Quarto Trecho com Diâmetro de 20 polegadas


77

Figura 50 – Cálculos Finais do Cenário 3: Quarto Trecho com Diâmetro de 20 polegadas


A potência requerida para este quarto trecho ficou limitada a 117 kW. Nesse

momento, a análise passa ao trecho mais desafiador que é o último e de maior

comprimento. Abaixo, seguem as figuras 51 e 52, relativas a tal segmento:

Figura 51 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Quinto Trecho com Diâmetro de 20 polegadas


78

Figura 52 – Cálculos Finais do Cenário 3: Quinto Trecho com Diâmetro de 20 polegadas


Neste último trecho, a potência requerida ficou em 126 kW e, portanto,

exequível. Necessita-se, no entanto, de 11 dutos para realização do bombeamento

neste último trecho. Portanto, a configuração das estações de bombeio, mostrada na

figura 53, se apresenta assim:

(1) Primeiro trecho: 4 dutos de 20 polegadas por 250 metros.

(2) Segundo trecho: 4 dutos de 20 polegadas por 300 metros.

(3) Terceiro trecho: 3 dutos de 20 polegadas por 200 metros.

(4) Quarto trecho: 3 dutos de 20 polegadas por 200 metros.

(5) Quinto trecho: 11 dutos de 20 polegadas por 2050 metros.

Algumas observações pertinentes com relação a este cenário 3 serão

colocadas aqui. A primeira delas é que, neste cenário, diversas combinações de

respostas são possíveis ao se variar os comprimentos de cada trecho, o diâmetro dos

dutos e o número de dutos a ser utilizado em cada trecho. Por isso, existe uma

infinidade de possibilidades de soluções técnicas utilizando as estações de bombeio,

onde nosso único cerceamento é relativo ao fim do quebra mar, tornando mandatório

que o trecho final seja de pelo menos 2000 metros e, portanto, necessite utilizar uma

quantidade maior de dutos para o bombeamento. O cenário 3, dentre todos os

79

cenários, indubitavelmente, se mostra como o mais desafiador para escolha da

solução que será implementada na região do Pecém. Uma análise econômica e de

viabilidade profundas precisam ser feitas para escolher, dentre as inúmeras

possibilidades, aquela que melhor se adequa às características da região e que seja

competitiva do ponto de vista financeiro. Outrossim, também vale ressaltar, com

exceção feita à profundidade do mar na região do Pecém, que as outras

profundidades foram retiradas da ferramenta “Google Earth” e, logo, sua

confiabilidade precisa ser questionada. Dessa forma, esse estudo recomenda que tais

profundidades sejam medidas no ambiente real e, se preciso, os cálculos refeitos no

programa.



80


O cenário 4 será diferente dos anteriores, visto que, até este ponto, todos os

cenários visavam atingir a potência requerida para a dessalinização, estimando o

diâmetro inicial dos dutos e o número de dutos a ser utilizado, baseado na potência

de 130 kW oferecida pelo oscilador existente. No entanto, o cenário aqui alvitrado

realizará o cálculo inverso, isto é, serão definidos o diâmetro do duto e sua

configuração e, a partir daí, será calculado o quanto de potência o oscilador deveria

ter para realizar o bombeamento. Dessa forma, a oportunidade de pesquisa e

desenvolvimento de novos osciladores de tamanhos maiores ou, até mesmo, com

geometrias diferentes, será aberta. O cenário se dividirá em dois casos principais, que

mostram soluções técnicas onde o desenvolvimento de osciladores que atinjam 500

kW, 750 kW e 1000 kW é requisitado. Para a realização dos cálculos, partir-se-á do

pressuposto que não é desejável a instalação de mais de um duto por segmento de

estação de bombeio, ou seja, neste cenário não será desejável a divisão da vazão

nas tubulações. Além disso, o material do duto a ser empregado será o HDPE, já que

apresentou os melhores resultados nos cenários precedentes.

O primeiro caso, a ser sugerido a seguir, propõe um bombeamento com duas

estações de bombeio. A primeira sendo estabelecida na região do quebra mar e a

segunda ao fim do quebra mar, isto é, o primeiro oscilador bombearia por 1000 metros

enquanto o segundo por 2000 metros até a costa. Para tal caso, o diâmetro escolhido

foi o de 40 polegadas, uma vez que valores menores acarretariam na necessidade de

divisão na vazão, o que não é desejado neste cenário. Os resultados demonstrados

nas figuras 54, 55, 56 e 57, indicam que, no primeiro trecho, é necessário a

implementação de um oscilador que consiga produzir uma potência de 500 kW, já que

a potência requerida para o bombeamento neste trecho foi em torno de 491 kW. Já

no segundo trecho, é preciso que seja instalado um oscilador que alcance uma

potência em torno de 900 kW, visto que a potência requerida no trecho foi de 863 kW.

Como partiu-se da premissa de desenvolver osciladores que atingissem 500, 750 e

1000 kW, neste segundo trecho, o oscilador escolhido seria o que fornecesse 1000

81

kW. Em suma, seria utilizado um oscilador de 500 kW na primeira estação de bombeio

e um oscilador de 1000 kW na segunda estação de bombeio.

Figura 54 – Parâmetros Iniciais do Cenário 4: Primeiro Trecho do Primeiro Caso


Figura 55 – Cálculos Finais do Cenário 4: Primeiro Trecho do Primeiro Caso


82

Figura 56 – Parâmetros Iniciais do Cenário 4: Segundo Trecho do Primeiro Caso


Figura 57 – Cálculos Finais do Cenário 4: Segundo Trecho do Primeiro Caso


Por outro lado, o segundo caso deste cenário trata da implementação de mais

estações de bombeio, visando diminuir o diâmetro do duto a ser escolhido para 20

polegadas no primeiro trecho. Neste caso, o primeiro trecho de 1000 metros será

dividido em 10 estações de bombeio a cada 100 metros. Neste trecho, a altimetria

varia de uma profundidade de 17 metros até 5 metros. Para não lotar o estudo com

os resultados das 10 estações de bombeio, será considerado que a variação máxima

de profundidade de uma estação para a outra será de 2 metros, de forma que a

83

potência requerida a todos os osciladores será aproximadamente a mesma. Vale

novamente reiterar que medições reais da altimetria na região do Pecém serão

necessárias para a implementação do projeto. As figuras 58 e 59, relativas ao

resultado da primeira estação de bombeio, mostrarão as potências requisitadas aos

osciladores neste trecho:

Figura 58 – Parâmetros Iniciais do Cenário 4: Segundo Caso


Figura 59 – Cálculos Finais do Cenário 4: Segundo Caso


84

Nota-se que a potência requerida de 631 kW pode ser facilmente atingida com

a implementação de osciladores de 750 kW e ainda se garante uma folga para o caso

de a variação de altimetria ser maior que 2 metros, o que é improvável. O segundo

trecho seria bombeado tal como no primeiro caso deste cenário, ou seja, por um

oscilador de 1000 kW. Portanto, neste segundo caso, tem-se o primeiro trecho sendo

bombeado em dez estações com osciladores de 750 kW e um duto de 20 polegadas,

e o segundo trecho sendo bombeado por um oscilador de 1000 kW e um duto de 40

polegadas, atendendo a premissa de não se dividir a vazão.

As configurações dos dutos deste quarto cenário, para o primeiro e segundo

caso, respectivamente, estão esboçados nas figuras 60 e 61.

Figura 60 – Configuração dos Dutos do Cenário 4: Primeiro Caso


85

Figura 61 – Configuração dos Dutos do Cenário 4: Segundo Caso


Outros muitos cenários poderiam ser apresentados, pois a ferramenta

apresenta justamente essa facilidade de combinar diferentes materiais, diâmetros de

dutos e quantidade de dutos. A escolha final, vale lembrar uma vez mais, será atrelada

aos aspectos econômicos e geológicos da região. Assim como o local escolhida para

a aplicação deste estudo foi o Pecém, poderia ter sido qualquer outro que fornecesse

um potencial energético e regularidade de ondas, e que houvesse demanda de água

potável. Logo, para cada local onde o estudo for ser aplicado, os aspectos geológicos

e econômicos precisam ser analisados e diversas soluções projetadas na ferramenta,

de forma que a melhor delas seja a escolhida para a implementação real.

86

6. Conclusão

Os resultados desse estudo se mostraram demasiadamente satisfatórios, uma

vez que, ao início do projeto, não se sabia se seria possível conseguir implantar a

ideia inovadora de realizar o bombeamento sem a utilização de bombas hidráulicas,

através do conceito das estações de bombeio. Contudo, não somente foi possível

realizar o bombeamento desta forma, como também foi possível simular cenários

onde o bombeamento é realizado por apenas um oscilador e ainda assim a solução

técnica se mostrou uma possibilidade. Além disso, o último cenário permitiu a

concepção de uma configuração de dutos desejada e abriu a porta para trabalhos

futuros, que visarão desenvolver uma concepção de osciladores maiores, visando

atender requisitos específicos de um determinado sítio que exija que alguns

parâmetros tais como, o número de dutos ou o diâmetro dos dutos, seja definido

previamente.

Por outro lado, apesar de o projeto possuir um caráter e o objetivo de ser

intercambiável e aplicável a diversos sítios com potencial energético das ondas a ser

aproveitado, este estudo não se privou de mostrar um exemplo de como pode ser

aplicado na prática. Isso ocorreu ao realizar a definição da Siderúrgica do Pecém

como estudo de caso. A motivação pela escolha do sítio é relacionada ao problema

que o Ceará vem vivendo nos últimos cinco anos com a situação da seca e redução

drástica das fontes de água doce advindas dos açudes. Por isso, esse projeto toma a

iniciativa de propor uma solução para tal problema, não só resolvendo o problema da

siderúrgica, o que acarreta em liberação dos açudes para atender à população, como

também recomendando a expansão do projeto para pequenas populações com

dificuldade de distribuição de água.

Outrossim, uma ferramenta programada no Microsoft Excel foi desenvolvida

para simular os diversos cenários possíveis para a configuração das tubulações e

realização do bombeamento, tendo como resultado final sempre a potência que seria

requerida para que tal bombeamento fosse realizado. Dessa forma, espera-se que,

unindo este trabalho aos muitos outros em desenvolvimento, mais um passo para o

aproveitamento energético dos oceanos na costa brasileira tenha sido dado.

87

Finalmente, este estudo envolve diversas áreas da engenharia e até mesmo

fora dela, por isso, alguns temas aplicáveis acabaram por ficar de fora. Abaixo seguem

sugestões para trabalhos futuros que podem agregar bastante ao serem anexados a

este:

Primeiro, um projeto relativo ao dimensionamento da planta de dessalinização

térmica a ser combinado com o bombeamento proposto por esse estudo. Outro projeto

interessante seria relativo ao dimensionamento de uma planta de osmose reversa a

ser combinada com o bombeamento proposto por esse estudo e posterior

comparação com resultados obtidos para a planta de dessalinização térmica.

Por outro lado, um estudo que agregue a análise econômica de qual

configuração de dutos para o escoamento e bombeamento da água do mar seria o

mais viável ajudaria a tomar a decisão final de qual configuração será aplicada. Além

disso, o desenvolvimento de uma interface de programação para o programa

desenvolvido no Microsoft Excel, visando facilitar a utilização pelos usuários também

se mostra interessante.

Por fim, um estudo que realize a análise sobre o potencial de incrustação que

a água do mar pode realizar nas tubulações e nas plantas de dessalinização,

primordialmente nas membranas de osmose reversa, caso a escolha da planta de

dessalinização seja a referida.

88

Referências Bibliográficas

AGÊNCIA DE DESENVOLVIMENTO DO ESTADO DO CEARÁ S.A., 2016,

Siderúgica. Disponível em: <http://www.adece.ce.gov.br/index.php/siderurgica>.

Acesso em: 16 dez. 2016.

ALTENERGYMAG, 2004, Seadog - pump technology harvests renewable power

from ocean waves. Disponível em:

<http://www.altenergymag.com/content.php?issue_number=04.02.01&article=seado

g>. Acesso em: 01 fev. 2017.

ASSOCIAÇÃO DAS EMPRESAS DO COMPLEXO INDUSTRIAL E PORTUÁRIO DO

PECÉM, 2016, Empresas do cipp adotam medidas para driblar seca. Disponível

em: <http://www.aecipp.com.br/pt-br/noticias/empresas-do-cipp-adotam-medidas-

para-driblar-seca>. Acesso em: 02 nov. 2016.

BBC NEWS, 2015, Aquamarine power hails oyster wave device test results.

Disponível em: <http://www.bbc.com/news/uk-scotland-scotland-business-

31975224>. Acesso em: 01 fev. 2017.

BESERRA, Eliab Ricarte, 2007, Avaliação de sítios para o aproveitamento dos

recursos energéticos das ondas do mar, Rio de Janeiro, 198 f., Tese de Doutorado

- Curso de Engenharia Oceânica, COPPE/UFRJ, Universidade Federal do Rio de

Janeiro.

CAMPBELL, Robert L.; JONES, Anthony T., 2005, Appropriate disposal of effluent

from coastal desalination facilities, Desalination, El Dorado Hills, California, USA,

v. 182, n. 1, pp. 365-372.

CENTER FOR RENEWABLE AND SUSTAINABLE ENERGY STUDIES, 2013, Wave

energy converters. Disponível em:

<http://www.crses.sun.ac.za/files/technologies/ocean/wecs_2013_list.pdf>. Acesso

em: 01 fev. 2017.

89

DAVIES, P.A., 2005, Wave-powered desalination: resource assessment and

review of technology, Desalination, 186, pp. 97–109.

DREW, B.; PLUMMER, A. R.; SAHINKAYA, M. N., 2009, A review of wave energy

converter technology. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Bath,

UK, v. 223, pp. 887-902.

FALCO, Reinaldo De; MATTOS, Edson Ezequiel De, 1998, Bombas industriais. 2

ed. Rio de Janeiro: Interciência Ltda, 474 p.

FALNES, Johannes, 2007, A review of wave-energy extraction. Marine Structures,

Trondheim, Norway, v. 20, n. 4, pp. 185-201.

FOLLEY, M.; WHITTAKER, T., 2004, The cost of water from an autonomous wave-

powered desalination plant, Renewable Energy, vol. 34, pp. 75–81.

GLOBAL OCEANIC DESIGNS, 2013, Seadog pump. Disponível em:

<http://globaloceanicdesigns.com/wpcontent/uploads/2013/07/seadog_pump_proto1

1.jpg>. Acesso em: 01 fev. 2017.

GOMES, RODRIGO KLIM; BRAGA, CARLOS VALOIS MACIEL, 2011, A

dessalinização térmica como alternativa para abastecimento de água – estudo

da técnica de dessalinização térmica e avaliação econômica preliminar, Rio de

Janeiro, 108p., Dissertação de Mestrado – Departamento de Engenharia Mecânica,

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

HICKS D. et al., 1989, DELBUOY: Ocean wave-powered seawater reverse

osmosis desalination System, Desalination 73, pp. 81–94.

HYDRANAUTICS, 2001, Reverse osmosis membrane filtration used in packaged

drinking water treatment systems, The environmental technology verification

program, [S.L], mar.

90

INHABIT, 2007, Wave energy: aquabuoy 2.0 wave power generator. Disponível em:

<http://inhabitat.com/wave-energy-aquabuoy-20-wave-power-generator/>. Acesso

em: 01 fev. 2017.

KALOGIROU, Soteris A., 2005, Seawater desalination using renewable energy

sources, Progress in Energy and Combustion Science, Nicosia, Cyprus, v. 31, n. 3,

pp. 242–281.

MANOLAKOS, Dimitris, 2007, Experimental evaluation of an autonomous low-

temperature solar rankine cycle system for reverse osmosis desalination,

Desalination, Athens,Greece, v. 203, pp. 366-374.

MAYNOOTH UNIVERSITY, 2011, Center for ocean energy research. Disponível

em: <http://www.eeng.nuim.ie/coer/img/home_10002-ga11.jpg>. Acesso em: 01 fev.

2017.

POULLIKKAS, A. Technology prospects of wave power systems, 2014, Electronic

Journal of Energy & Environment, vol. 2, no. 1, pp. 47–69.

PRIEL, M.; WILF, M.; GLUECKSTERN, P., 2002, Field evaluation of capillary uf

technology as a pretreatment for large seawater ro systems, Desalination, Tel

Aviv, Israel, v. 147, n. 1, pp. 55-62.

QIBLAWEY, Hazim Mohameed; BANAT, Fawzi, 2007, Solar thermal desalination

Technologies, Desalination, Irbid, Jordan.

RODRIGUES, Klinger Jucier Targino, 2011, Perda de carga em condutos

forçados. 2011. 50 f. TCC de Graduação - Curso de Ciência e Tecnologia.,

Departamento de Ciências Ambientais e Tecnológicas Curso de Ciência e Tecnologia,

Universidade Federal Rural do Semi-Árido – Ufersa, Mossoró.

91

SANTOS, José Joaquim Conceição Soares, 2005, Avaliação exergoeconômica das

tecnologias para a produção combinada de eletricidade e água dessalinizada,

Itajubá, 194 p., Dissertação de Mestrado – Departamento de Engenharia Mecânica,

Universidade Federal de Itajubá.

TRIBUNA DO CEARÁ, 2014, Quando concluído, complexo do pecém usará

metade da água destinada a 4 cidades da rmf. Disponível em:

<http://tribunadoceara.uol.com.br/noticias/cotidiano-2/quando-concluido-complexo-

do-pecem-usara-metade-da-agua-destinada-a-4-cidades-da-rmf/>. Acesso em: 02

nov. 2016.

WILF, M.; KLINKO, K., 1997, Effect of new pretreatment methods and improved

membrane performance on design of ro seawater systems, Desalination, Madrid,

Spain, v. 1357.

WORLD BANK, 2004, Seawater and brackish water desalination in the middle

east, north africa and central asia. Disponível em:

<http://siteresources.worldbank.org/intwss/resources/desal_mainreport-final2.pdf>.

Acesso em: 30 ago. 2016.

YLÄNEN, M.; LAMPINEN, M., 2014, Determining optimal operating pressure for

AaltoRO - A novel wave powered desalination system, Renewable Energy, vol. 69,

no. 1., pp. 386-392.

92

Anexo

Neste anexo será mostrado a formulação utilizada para a obtenção dos

resultados. Além do mais, a memória de cálculo está presente no documento do excel,

com todas as fórmulas utilizadas. Os parâmetros serão listados abaixo:

• Eficiência da planta de dessalinização: η1

• Eficiência do oscilador: η2

• Diâmetro interno do duto: D

• Profundidade do mar na região do quebra mar: z1

• Altura do porto de pecém: z2

• Comprimento total da tubulação: L

• Massa específica da H20 do mar: ρ

• Peso específico da H20 do mar: γ

• Viscosidade dinâmica da H20 do mar: µ

• Demanda de água potável da siderúrgica: Q final

• Aceleração da gravidade: g

93

• Peso específico da H20 do mar: γ

• Rugosidade: ε

• Potência do oscilador: Pot

• Vazão: Q

• Área do duto: A

• Velocidade de escoamento: v

• Número de Reynolds: Re

• Somatório do comprimento equivalente das singularidades: Leq

• Comprimento equivalente final: Ltotal

• Rugosidade relativa: ε/D

• Fator de atrito: f

• Perda de carga: hf

• Altura Manométrica: Hm

• Potência requerida: Pot req

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A seguir serão explicitadas as equações que foram utilizadas neste projeto:

• V2 = V1/η1

• A = π D2 / 4

• v = V2 / A

• Re = ρ v D / µ

• L total = L + Leq

• hf = f Ltotal v2 / 2 g D (Método do comprimento equivalente)

• z1 + p1 / γ + v12 / 2g = z2 + p2 / γ + v2

2 / 2g + hf (Teorema de Bernoulli)

• Hm = z2 – z1 + hf

• Pot req = 0,736 γ Q Hm / 75 η2

• N = Pot req / Pot

Para calcular a altura manométrica, considerou-se que a velocidade de

escoamento será constante na tubulação e que a pressão de entrada e de saída

serão as mesmas, que é a pressão atmosférica nos reservatórios.

Aproveitamento da Energia das Ondas Para Bombeamento...

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