A ENERGIA DOS OCEANOS

Carina Aquino Dal’Col

Departamento de Engenharia Elétrica - Universidade Federal do Espírito Santo carina_ad@hotmail.com

Resumo – Até certo ponto, a humanidade buscou o desenvolvimento tecnológico e industrial sem preocupar-se com o meio ambiente. Agora, o crescimento desenfreado da população e as concomitantes necessidades estruturais, que acarretam mais destruição ambiental, fazem imprescindível o restabelecimento do equilíbrio entre o homem e a natureza. Nesse cenário, as energias renováveis constituem um dos principais pilares na busca desse equilíbrio. Portanto, vista a importância das fontes renováveis na geração de energia elétrica, este artigo apresenta uma visão geral do potencial energético dos oceanos, explicitando cada tipo de aproveitamento disponível.

I – INTRODUÇÃO

Cerca de 70% da superfície toda Terra é coberta pelos oceanos. Diante de sua grandiosidade, nada mais trivial que direcionar pesquisas para o mapeamento do potencial energético da água dos mares. Assim, viu-se que o oceano abriga recursos de energia abundantes e os desafios de engenharia relacionados às formas de aproveitamento desses recursos têm sido cada vez mais debatidos.

É notória a complexidade da implementação, do funcionamento e da manutenção de sistemas de energia em ambientes marítimos – que apresentam limitações de acesso e estão suscetíveis a tempestades e à corrosão. Contudo, tecnologias têm sido desenvolvidas e tendem a se aproximarem da aplicação comercial.

A energia contida nos oceanos apresenta diferentes classificações de acordo com sua origem. As mais relevantes, certamente, são: a energia das marés, procedente da interação dos campos gravitacionais da lua e do sol; a energia térmica, conseqüência direta da radiação solar incidente; a energia das correntes marítimas, cuja origem está na inércia de rotação do

planeta e nos ventos ou nos gradientes de temperatura e salinidade e na ação das marés; e a energia das ondas, resultante do efeito do vento na superfície do oceano.

A seguir, segundo a classificação apresentada, cada tipo de aproveitamento da energia dos oceanos será individualmente tratado. Por fim, uma conclusão será proposta.

II – A ENERGIA DAS MARÉS

As marés, conhecidas pela subida e descida do nível do mar ao longo da costa, são conseqüência da ação simultânea das forças gravitacionais da Lua, do Sol e da Terra, e da revolução em torno do centro comum, da Terra e da Lua, e da Terra e do Sol [1]. A magnitude da atração imposta por esses campos gravitacionais é diretamente proporcional à massa dos corpos e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre seus centros [2]. Assim sendo, apesar de possuir maior massa, o Sol exerce menor efeito que a Lua sobre as marés devido à grande distância da Terra em que se situa. A Figura 1 mostra como a atração gravitacional da Lua e do Sol determinam o nível das marés.

Figura 1 - Efeito gravitacional do Sol e da Lua sobre as marés

[1].

Os períodos das marés, que ocorrem duas vezes ao dia, são de 12h para a maré solar e de 12h25min para a maré lunar. As marés também são diferentes dependendo do local, isso porque a Terra não é coberta uniformemente por oceano, na verdade, continentes separam as bacias oceânicas conferindo-lhes formatos, dimensões e profundidades diferentes.

O aproveitamento da energia das marés para a geração de energia elétrica é bem semelhante à utilizada nas tradicionais usinas hidrelétricas, sendo necessária uma barragem através de uma baía ou de um estuário para represamento da água oceânica. Como a construção de barragens é um processo caro, costuma-se buscar lugares estreitos, reduzindo a extensão da obra. Assim, construída a barragem, turbinas e portões são instalados ao longo de seu comprimento. Quando a maré é alta, a água enche o reservatório, passando através das turbinas e gerando energia elétrica. Na maré baixa, o reservatório é esvaziado e a água que sai do reservatório passa novamente através das turbinas, em sentido contrário, gerando energia elétrica novamente. A Figura 2 representa esse comportamento.

Figura 2 - Funcionamento do sistema de reservatório.

Nota-se que a geração de eletricidade

nesse tipo de aproveitamento é bidirecional, uma vez que ambos os lados da barragem podem encontrar-se em nível alto ou baixo. Portanto, a utilização de turbinas bidirecionais é a principal diferença do aproveitamento hidrelétrico nos rios. Geralmente, as turbinas utilizadas são do tipo Bulbo.

Há duas marés altas e duas marés baixas por dia. Gera-se eletricidade numa usina maremotriz a cada 12h, não havendo geração durante as seis horas intermediárias. Alternativamente, as turbinas podem ser usadas como bombas para bombear água extra para dentro do reservatório durante os períodos de baixa demanda de energia elétrica [3].

A primeira e maior usina maremotriz construída no mundo é a de La Rance. Com capacidade instalada de 240MW, ainda é muito superior a segunda maior, a de Annapolis no Canadá, que possui 20MW de capacidade. O estuário do Rio La Rance tem uma área de 22km² e a diferença entre as marés alta e baixa, durante o equinócio, são de cerca de 13,5m. A usina conta com 24 conjuntos bidirecionais de turbina-gerador com 10MW cada [4].

Figura 3 - Usina Maremotriz de La Rance [4].

III – A ENERGIA TÉRMICA

O processo de gerar energia elétrica a partir da energia térmica dos oceanos, chamado Conversão de Energia Térmica Oceânica (OTEC – Ocean Thermal Energy Conversion), vem sendo estudado desde as primeiras décadas do século XX. Apesar de haver usinas-piloto que comprovam o funcionamento dessa tecnologia, comercialmente, ela nunca entrou em operação. Entretanto, devido à motivação ambiental, várias empresas estão buscando o desenvolvimento de projetos comerciais.

A reserva de energia térmica do oceano nada mais é do que energia solar armazenada. Tipicamente, há uma distribuição vertical permanente da temperatura, onde a agitação das

ondas e outros efeitos do vento podem distribuir o calor da superfície até uma determinada profundidade. Assim, cria-se uma camada superficial quente de 50, 100 ou mesmo 200 metros, não aquecendo águas profundas, que permanecem frias.

Uma usina baseada no conceito da OTEC aproveita esse gradiente térmico de modo a gerar energia elétrica. Para isso, em um circuito fechado, circula um fluido de trabalho que tenha ponto de ebulição baixo – por exemplo, a amônia. A água da superfície, quente, é bombeada através de um trocador de calor, evaporando o fluido de trabalho que aciona uma turbina e gera eletricidade. Em seguida, o fluido que deixa a turbina é bombeado para um segundo trocador de calor, dessa vez condensador, que está em contato com a água mais profunda e fria. A Figura 4 ilustra o funcionamento descrito.

Figura 4 - Conversão de Energia Térmica Oceânica

(OTEC).

Para funcionar eficientemente, a tecnologia exige uma temperatura diferencial de pelo menos 20°C [5]. Essa diferença de temperatura é encontrada facilmente em grandes extensões dos mares tropicais, mostradas na Figura 5.

Figura 5 - Locais potenciais para instalação de OTEC's

(mais vermelho melhor). O que chama atenção para essa

tecnologia é que, diferentemente da maioria dos aproveitamentos de energia renovável, ela pode garantir um nível mínimo de

fornecimento estável e confiável, pois geraria eletricidade 24h por dia de uma forma previsível e confiável.

A primeira usina experimental de OTEC foi construída e brevemente operada em Cuba em 1930. Após a primeira crise do petróleo, em 1973, uma usina de teste foi construída em Keahole Point e outra na ilha de Nauru, no Havaí. Atualmente, uma equipe de desenvolvimento de energias alternativas de uma empresa norte-americana está trabalhando no projeto de uma usina piloto, com capacidade de geração de energia de 5 a 10MW, que poderá funcionar no Havaí em 2014 [6].

IV – A ENERGIA DAS CORRENTES MARÍTIMAS

As correntes marítimas são movimentos de grandes massas de água, dentro de um oceano ou mar. Sua formação pode ser resultado de dois tipos de força. O primeiro abrange as forças que se originam no interior das águas oceânicas, devido a diferenças de temperatura, salinidade e, conseqüentemente, de densidade, implicando em diferenças de pressão. Quando, numa mesma profundidade a pressão é igual, o que raramente acontece, o líquido mantém-se estável. Se, ao contrário, houver diferenças de pressão ao longo de um mesmo nível, estabelece-se um declive e o deslocamento de massas de água. Devido ao movimento de rotação da Terra, esse deslocamento sofre um desvio que, no hemisfério norte, se faz para a direita e no hemisfério sul para a esquerda. Essas correntes são denominadas correntes de densidade. O segundo grupo abrange forças como os ventos e a pressão atmosférica, que atuam sobre as águas, imprimindo-lhes movimentos. Os ventos, quando sopram numa mesma direção durante certo tempo, provocam deslocamento de águas e originam correntes. Estas, tal como as correntes de densidade, sofrem em mar profundo um desvio de 45°, para a direita no hemisfério norte e para a esquerda no hemisfério sul [7].

Como essas massas de água estão em deslocamento, carregam energia cinética, que pode ser capturada por turbinas, semelhantes às turbinas eólicas, acopladas a um gerador para produção de energia elétrica. Essas turbinas são submersas, presas ao fundo do oceano e possuem engrenagens de posicionamento para orientar as pás na direção da corrente marítima. Além disso, algumas apresentam um sistema de elevação das turbinas acima do nível do mar para facilitar o acesso e

permitir manutenção a partir de embarcações de serviço de pequeno porte.

Ao comparar com o aproveitamento eólico, apesar de as correntes marítimas terem menor velocidade que os ventos, a densidade da água do mar é cerca de 800 vezes maior que a densidade dos ventos. Dessa forma, para gerar uma mesma quantidade de energia, é necessária uma corrente marítima de velocidade menor que a do vento. Por exemplo, a potência de uma corrente marítima de 3,7km/h é igual à de um vento de 32,4km/h.

Além disso, outras vantagens frente à energia eólica são: a menor necessidade de espaço, visto que as turbinas podem ser posicionadas mais próximas uma da outra; a ausência de impacto visual, por estarem submersas; e o fato de as correntes oceânicas serem relativamente constantes em relação à direção e à velocidade. Porém, também há desvantagens, como, por exemplo, os gastos com cabos submarinos para a transmissão da energia até a costa e a corrosão.

O primeiro protótipo de turbinas marítimas foi instalado no ano de 2000 na costa de Cornwall, sudeste da Inglaterra, com 350kW de capacidade de geração. Já a primeira turbina em operação comercial, a SeaGen, encontra-se no estreito de Strangford Lough, na Irlanda do Norte, e entrega mais de 6000MWh por ano à rede de energia elétrica do Reino Unido. A SeaGen produz 1,2MW com correntes de 2,4m/s, o que indica um fator de capacidade maior que 60% [8].

Figura 6 - Desenho artístico da SeaGen [8].

Figura 7 - Turbinas da SeaGen sendo elevadas para

manutenção [8].

V – A ENERGIA DAS ONDAS

As ondas são provocadas pelo vento, que, ao criar forças de pressão e fricção, perturba o equilíbrio da superfície dos oceanos, transmitindo energia para a água. Depois de criadas, as ondas podem viajar milhares de quilômetros em alto-mar praticamente sem perdas de energia, porém, ao chegarem às regiões costeiras, devido à interação com o fundo do mar, parte dessa energia é dissipada.

A potência de uma onda é proporcional ao quadrado da sua amplitude e ao seu período. Ondas de elevada amplitude (cerca de 2m) e de período elevado (7 a 10s) excedem, normalmente, os 50kW por metro de frente de onda [9]. A densidade de potência das ondas, medida em kilowatt por metro de frente de onda, de várias partes do mundo é apresentada na Figura 8.

Figura 8 - Distribuição da energia das ondas (níveis de potência das ondas em kW/m de frente de onda) [10].

Há diferentes tecnologias na extração da

energia das ondas. O critério de classificação adotado na esmagadora maioria de referências relaciona-se com a distância do dispositivo à costa, dessa forma, agrupando-os em: dispositivos costeiros, dispositivos próximos da costa e dispositivos afastados da costa [9].

Quanto maior a distância da costa, maior a profundidade e, portanto, menor a interação das ondas com o fundo do oceano e menor a dissipação de energia. Assim, nota-se que o fator preponderante não é somente a distância em relação à costa, mas sim a profundidade do ponto de instalação dos dispositivos.

Os aproveitamentos costeiros são fixados na linha da orla costeira e revelam vantagens importantes, como a maior facilidade de instalação e manutenção e a ausência de grandes extensões de cabos submarinos. Porém, têm a desvantagem de não tirar proveito do regime de ondas mais energético presente nos locais de maiores profundidades.

Dentre as tecnologias costeiras, a que se encontra mais desenvolvida é a Coluna de Água Oscilante (OWC, Oscillating Water Column). Um sistema OWC consiste em uma câmara oca parcialmente submersa, cuja parte de inferior é aberta abaixo da superfície do mar. Quando uma onda entra na estrutura, o ar que havia dentro dela é forçado a passar através de uma turbina devido ao aumento da pressão interior. Quando a onda retorna ao mar, a pressão interior diminui, fazendo com que entre ar na câmara e a turbina seja acionada novamente. Assim, energia elétrica é gerada tanto na saída do ar quanto na entrada. Para isso, turbinas com a propriedade de manter o sentido de rotação independente do sentido do fluxo de ar são utilizadas nessa aplicação. A Figura 9 ilustra o funcionamento de um sistema OWC.

Figura 9 - Tecnologia da Coluna de Água Oscilante

(OWC) [11].

Em 1985, um sistema OWC foi instalado em Tofteshallen, na Noruega, com capacidade de 500kW. Em 1988, após três

anos de funcionamento, foi destruído por uma tempestade. Já a central LIMPET (Land Installed Marine Power Energy Transmitter) é o primeiro dispositivo de aproveitamento de energia das ondas a ser explorado comercialmente no Reino Unido. Em operação desde novembro de 2000, possui dois grupos turbina-gerador de 250kW cada, totalizando 500kW nominais, e localiza-se numa região de intensidades de onda anuais médias entre 15 e 25kW/m de frente de onda incidente [12].

Figura 10 - LIMPET OWC.

Existem alguns dispositivos do tipo OWC

que são classificados como próximos da costa devido à sua instalação ser feita não na linha da costa, mas próxima dela em locais de profundidades de até 20m. Esse é o caso do OSPREY (Ocean Swell Powered Renewable Energy), desenvolvido em meados da década de 90 para ser colocado em águas de 20m de profundidade. Porém, um acidente na fase de instalação levou à interrupção do projeto. Há planos de recuperá-lo e associar a ele uma turbina eólica offshore.

Figura 11 - Antevisão artística do OSPREY [9].

Figura 12 - Modelo do OSPREY com a inclusão da

turbina eólica [9]. Já os equipamentos que se enquadram

na classificação de afastados da costa são os mais recentes e podem aproveitar o regime de ondas mais energético nas zonas de maior profundidade. Os modos de extração da energia das ondas utilizados nesse caso são: conversão de energia tipo corpo flutuante (absorção pontual), conversão de energia do tipo progressivo, e galgamento.

Como tecnologia da classe dos corpos flutuantes, absorção pontual, há o Archimedes Wave Swing (AWS), desenvolvido por uma empresa dos Países Baixos. Consiste em dois cilindros ocos, preenchidos por ar pressurizado, colocados um sobre o outro. O ar de preenchimento deve estar a uma pressão que equilibre o peso do cilindro superior, chamado flutuador, e da coluna de água exterior que ele sustenta. Assim, com a passagem das ondas, a coluna de água aumenta nas cristas e diminui nas cavas, produzindo um movimento oscilatório na vertical que aciona um gerador elétrico linear.

Figura 13 - Funcionamento do AWS [8].

O conceito da absorção pontual de energia

foi provado em grande escala em 2004, através de uma instalação piloto no mar de Portugal. Neste momento, está a ser desenvolvida a engenharia detalhada de um demonstrador pré-comercial otimizado de 250 kW [13].

Figura 14 - Antevisão artística do AWS [9].

Figura 15 - Central piloto do AWS [14].

A conversão de energia das ondas do tipo

progressivo é encontrada no dispositivo Pelamis, desenvolvido por uma empresa na Escócia. O Pelamis é um equipamento alongado, com uma dimensão longitudinal da ordem de grandeza do comprimento de onda e estão dispostos no sentido de propagação da onda, de modo a gerarem um efeito de bombardeamento progressivo associado à passagem da onda, por ação de um elemento flexível em contato com a água. Ele é composto por uma estrutura articulada, semi-submersa, composta por diferentes módulos cilíndricos unidos por juntas flexíveis. O movimento ondulatório das ondas incidentes provoca a oscilação dos módulos cilíndricos em torno das juntas que os unem, pressurizando o óleo e forçando-o a passar por motores hidráulicos que acionam geradores elétricos [9].

Um parque de 40 dispositivos Pelamis, ocupando uma área de 1km², teria capacidade instalada de 30MW.

Figura 16 - Antevisão artística de um parque de Pelamis

[9].

Figura 17 - Lançamento do primeiro Pelamis à escala

1:1 [9].

Já a extração da energia das ondas do tipo afastada da costa por galgamento, funciona de modo parecido com uma barragem de uma hidrelétrica convencional. Esse mecanismo consiste em um reservatório que é preenchido pela entrada da água das ondas a níveis acima da média do oceano circundante. A água capturada fica retida e quando liberada, caem de volta ao oceano passando por uma turbina, que aciona um gerador. Nota-se que a idéia básica do galgamento é usar os conhecidos e provados princípios das usinas hidrelétricas tradicionais em uma plataforma offshore flutuante.

Figura 18 - Princípio de funcionamento do

aproveitamento por galgamento.

O Wave Dragon, dispositivo que funciona

por galgamento instalado na Dinamarca, foi o primeiro aproveitamento de energia das ondas afastado da costa a, em Junho de 2003, entregar energia a uma rede elétrica durante o teste de uma central piloto construída à escala de 1:4,5 (potência instalada de 20kW). Essa unidade de teste acumulou mais de 20000 horas de experiência no suprimento de eletricidade a residências [15]. O sistema possui: dois braços refletores, que focam as ondas incidentes para uma rampa; um reservatório, que armazena a água que galgou a rampa; e turbinas de baixa queda, tipo Kaplan.

Figura 19 - Antevisão Artística do Wave Dragon.

Figura 20 - Wave Dragon: protótipo em escala 1:4,5.

VI – CONCLUSÕES

Vistas as muitas fontes de energia presentes no oceano, é evidente seu tremendo potencial energético ainda não explorado em grande escala. Apesar dos progressos obtidos no desenvolvimento de tecnologias para a conversão dessas energias em energia elétrica, elas ainda são imaturas, basta notar o grande número de diferentes dispositivos e sua variedade em tamanho. Isso demonstra que o aproveitamento da energia dos oceanos ainda apresenta desafios de engenharia e necessita de muita pesquisa e desenvolvimento. Assim, sistemas

experimentais poderão ser transformados em usinas de geração de energia elétrica confiáveis e de menor custo.

Além disso, como toda intervenção humana na natureza, mesmo que os oceanos seja uma fonte de energia renovável, há impactos ambientais no seu aproveitamento. Devido ao fato das tecnologias ainda estarem em fase de avaliação ou desenvolvimento, esses impactos ainda não foram completamente mapeados. Contudo, alguns são de fácil percepção, como, por exemplo, o alagamento quando se constrói barragens – caso da conversão da energia das marés. Ainda assim, pesquisadores avaliam que as perturbações no meio-ambiente seriam mínimas, sendo que o maior impacto que poderá haver acontece quando da instalação dos equipamentos no mar.

Em geral, os principais impactos no meio-ambiente são: possíveis alterações no regime das ondas, das correntes marítimas e das marés, perturbando o padrão de vida de algumas espécies marinhas; ruído; riscos à navegação.

REFERÊNCIAS

[1] Miyao, S. Y. (1997). Marés: como são

produzidas? É viável utilizar sua energia? Ciência & Ensino, 17-19.

[2] Bonjorno, R. A. (1999). Física Fundamental. São Paulo: FTD.

[3] Sheth, S. (2005). Tidal Energy in Electric Power Systems. IEEE.

[4] J. F., C., Benbouzid, M. E., & Elghali, S. E. (2007). Marine Tidal Current Electric Power Generation Technology: State of the Art and Current Status. IEEE.

[5] National Renewable Energy Laboratory. (s.d.). Acesso em 07 de Novembro de 2010, disponível em Site da Ocean Thermal Energy Conversion: http://www.nrel.gov/otec/

[6] Tribune, I. H. (25 de Maio de 2010). Mercado Ético. Acesso em 06 de Novembro de 2010, disponível em Site da Terra, Mercado Ético: http://mercadoetico.terra.com.br/arquivo/empresas-comecam-a-explorar-a-energia-dos-oceanos/

[7] Portal EmDiv. (s.d.). Acesso em 03 de Novembro de 2010, disponível em Site Portal EmDiv: http://www.emdiv.com.br/pt/mundo/asmaravilhas/994-as-correntes-maritimas.html

[8] Marine Current Turbines. (s.d.). Acesso em 09 de Novembro de 2010, disponível em Site da Marine Current Turbines: http://www.marineturbines.com/

[9] Cruz, J. M. (2004). Energia das Ondas. MARETEC, Portugal.

[10] Sabzehgar, R., & Moallem, M. (2009). A Review of Ocean Wave Energy Conversion Systems. IEEE Electrical Power & Energy Conference.

[11] Wave Power. (s.d.). Acesso em 07 de Novembro de 2010, disponível em Site da University of Strathclyde Energy Systems Research Unit: http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/Web_sites/01-02/RE_info/wave%20power.htm

[12] Voith. (s.d.). Acesso em 07 de Novembro de 2010, disponível em Site da Voith Hydro Wavegen Limited: http://www.wavegen.co.uk/what_we_offer_limpet_islay.htm

[13] AWS Ocean Energy (s.d.). Acesso em 07 de Novembro de 2010, disponível em Site da AWS Ocean Energy: http://www.awsocean.com/archimedes_waveswing.aspx?ln=3

[14] Leistra, R. (s.d.). Acesso em 07 de Novembro de 2010, disponível em Site Seabed Assist: http://www.seabedassist.nl/foto_eng.html

[15] Wave Dragon (s.d.). Acesso em 09 de Novembro de 2010, disponível em Site da Wave Dragon: http://www.wavedragon.net