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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS Daniel de Senne Garcia Geração de Energia Maremotriz Panorama mundial e nacional São Carlos 2019

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Page 1: Daniel de Senne Garcia Panorama mundial e nacional€¦ · maremotriz e apresentou-se um exemplo de cálculo eletro-energético do mesmo, assim como a descrição de seu funcionamento

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS

Daniel de Senne Garcia

Geração de Energia Maremotriz – Panorama mundial e nacional

São Carlos

2019

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Daniel de Senne Garcia

Geração de Energia Maremotriz – Panorama mundial e

nacional

Monografia apresentada ao Curso de

Engenharia Elétrica – Ênfase em Sistemas de

Energia e Automação, da Escola de

Engenharia de São Carlos da Universidade de

São Paulo, como parte dos requisitos para

obtenção do título de Engenheiro.

Orientador: Prof. Dr. Frederico Fábio Mauad

São Carlos

2019

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AUTORIZO A REPRODUÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR

QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E

PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

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FOLHA DE AVALIAÇÃO OU APROVAÇÃO

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Resumo

Este trabalho de conclusão de curso visa à elucidação e esclarecimento a respeito da situação

atual e futura da geração maremotriz de energia elétrica, bem como seu princípio de

funcionamento, aspectos tecnológicos e impactos ambientais. A importância desse estudo se

deve pelo crescente aumento da demanda de energia mundial concomitantemente com a

grande preocupação com a sustentabilidade e escassez dos recursos para produção de

combustíveis fosseis. Dessa forma, por se tratar de uma forma de energia renovável e

abundante em todo planeta, a energia advinda dos oceanos é de grande interesse de pesquisa

na contemporaneidade. Como resultado final do trabalho, obteve-se um modelo de uma usina

maremotriz e apresentou-se um exemplo de cálculo eletro-energético do mesmo, assim como

a descrição de seu funcionamento a fim de contribuir com os desenvolvimentos tecnológicos a

cerca desta área de estudo. Estudou-se também o histórico da geração de energia maremotriz

no Brasil e no mundo, realizando-se uma revisão bibliográfica e uma fundamentação teórica

detalhada sobre o assunto. Além disso, verificaram-se os principais tipos de conversores de

energia advinda das marés, e dessa forma, analisou-se o funcionamento de uma usina

maremotriz.

Palavras-chave: energia maremotriz, geração, potencial, matriz e aproveitamento

energéticos.

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Abstract

This course completion work aims to elucidate and clarify the current and future situation of

tidal power generation, as well as its operating principle, technological aspects and

environmental impacts. The importance of this study is due to the constant increase in world

energy demand concomitantly with the great concern about the sustainability and scarcity of

resources for fossil fuel production. In this way, because it is a form of renewable and

abundant energy in the entire planet, the energy coming from the oceans is of great interest of

research in the contemporaneity. As a final result of the work, a model of a tidal power plant

was obtained and an example of its electro-energetic calculation was presented, as well as the

description of its operation in order to contribute with the technological developments around

this one study area. The history of tidal power generation in Brazil and in the world was also

studied, and a bibliographic review and a detailed theoretical foundation on the subject were

carried out. In addition, the main types of energy converters from the tides were verified, and,

thus, the operation of a tidal power plant was analyzed.

Key-words: tidal power, generation, potential, matrix and energy exploitation.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Distribuição da população mundial ......................................................................... 19

Figura 2 - Capacidade instalada de geração oceânica .............................................................. 23

Figura 3 - Maiores amplitudes de maré no mundo ................................................................... 23

Figura 4 - localidades abrangidas no relatório (MA e PA) ...................................................... 24

Figura 5 - Potencial de geração oceânica no Brasil .................................................................. 25

Figura 6 - Períodos lunares (sizígia e quadratura) .................................................................... 28

Figura 7 - Variação da amplitude de maré ao longo do rio Severn, Reino Unido ................... 30

Figura 8 - Energias das ondas ................................................................................................... 31

Figura 9 - Representação da geração em maré vazante em uma usina maremotriz ................. 33

Figura 10 - Representação da geração em efeito duplo em uma usina maremotriz ................. 34

Figura 11 - Princípio de funcionamento de uma usina maremotriz ......................................... 34

Figura 12 - Principais Componentes de uma Maremotriz ........................................................ 35

Figura 13 - Ábaco de seleção de turbinas ................................................................................. 36

Figura 14 - Turbinas mais utilizadas em usinas maremotrizes ................................................. 37

Figura 15 - Esquemático de uma usina maremotriz ................................................................. 44

Figura 16 - Variação da amplitude de maré durante o mês de setembro de 2010 no porto de

Itaqui (MA) ............................................................................................................................... 46

Figura 17 - Estágios de operação de uma maremotriz.............................................................. 46

Figura 18 - Ferramenta criada no Excel para estimação do potencial de uma maremotriz ...... 47

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - algumas localidades viáveis para aproveitamento maremotriz (MA) ..................... 24

Tabela 2 – Impactos socioambientais e medidas profiláticas ................................................... 40

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LISTA DE SÍMBOLOS

m – massa

g – aceleração da gravidade

h – altura

𝑣 – velocidade

𝑉 – volume

𝜌 – massa específica

𝛾 – peso específico da água do mar

Q – vazão

𝐸 – energia

𝐴 – área

𝑇 – ciclo de maré

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SUMÁRIO

Resumo ....................................................................................................................................... 8

Abstract ..................................................................................................................................... 10

LISTA DE ILUSTRAÇÕES .................................................................................................... 12

LISTA DE TABELAS ............................................................................................................. 13

LISTA DE SÍMBOLOS ........................................................................................................... 14

1 Introdução .............................................................................................................................. 18

2 Histórico ................................................................................................................................ 22

2.1 Panorama Mundial .......................................................................................................... 22

2.2 Panorama Nacional ......................................................................................................... 24

3 Princípio de Funcionamento .................................................................................................. 28

3.1 Comportamento das marés .............................................................................................. 28

3.2 Usina maremotriz ............................................................................................................ 33

4 Impactos Socioambientais ..................................................................................................... 39

5 Aspectos Econômicos ............................................................................................................ 42

6 Modelagem e Cálculo Eletroenergético de uma Maremotriz ................................................ 44

7 Conclusões ............................................................................................................................. 49

Referências Bibliográficas ........................................................................................................ 52

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1 Introdução

A energia oceânica, de maneira geral, constitui uma fonte energética extremamente

concentrada e de elevado potencial, uma vez que 70% do planeta terra é água, em sua maioria

localizada nos oceanos. Entretanto, a questão tecnológica e de pesquisa e desenvolvimento

ainda se constitui uma grande barreira, sendo que as técnicas de conversão eletro-energética

ainda estão em fase inicial, possuindo, com isso, elevados custos na maioria das vezes (EPE,

2016).

A energia solar que incide anualmente sobre a superfície terrestre é estimada na

ordem de 6 x 1014 MWh. Os oceanos, com uma superfície de 361 milhões de km² e

um volume de 1.370 milhões de km³, atuam como sistemas coletores e de

armazenamento (Díez, 2002). A energia contida nos oceanos manifesta-se de

diversas formas: ondas, marés, correntes marinhas, gradientes térmicos e gradientes

de salinidade. (Ferreira, Rafael. 2007 p. 13)

Neste trabalho analisou-se o aproveitamento da energia a partir das marés que, devido à

semelhança com a geração hidrelétrica, possui uma maior maturidade tecnológica com

relação as outras fontes oceânicas.

Contudo, os locais no Brasil onde existem os melhores quadros para o aproveitamento e

exploração economicamente viável desta fonte localizam-se em regiões turísticas e/ou áreas

de preservação ambiental, pouco estudadas geralmente, limitando o desenvolvimento desta

matriz. Além disso, apesar do elevado potencial mundial das marés, apenas uma pequena

porcentagem deste pode ser de fato explorada, devido à escassez de locais favoráveis, tanto

em relação ao trabalho de engenharia necessário, como com relação a alturas de maré

suficientes para tornar o projeto economicamente viável (EPE, 2016).

Mesmo assim, seu estudo é de grande relevância, pois o potencial é elevado e trata-se de uma

fonte de energia limpa e renovável. Além disso, a proximidade dos possíveis locais de

geração (costa) com os grandes centros urbanos e aglomerações populacionais desoneram os

custos em relação à transmissão (EPE, 2016), devendo ser, portanto, um bom motivo de

estudo e desenvolvimento.

O mapa da Figura 1 diz respeito à concentração populacional no mundo, e ratifica a grande

concentração populacional próxima ao mar.

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Figura 1 - Distribuição da população mundial

Fonte: FONTANAILLES (2013)

Apesar de serem necessárias altas amplitudes de marés para possibilitar o aproveitamento,

limitando bastante os locais de geração maremotriz, houve um aumento considerável dessas

regiões de interesse com o surgimento das turbinas de baixa queda.

De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), o Brasil ainda possui um

milhão de residências sem luz. E esse número chega próximo a um bilhão de pessoas no

mundo todo, pelo levantamento da Agência Internacional de Energia.

Dessa forma, a energia advinda das marés é uma energia relativamente bem distribuída por

todo o planeta, com uma ampla distribuição geográfica, podendo ser aproveitada

mundialmente para aumentar a oferta de eletricidade limpa e contribuir para uma

universalização do serviço de energia.

Este trabalho foi divido em capítulos que buscam apresentar o conteúdo de forma a atingir o

objetivo de estudar a situação atual e futura da geração maremotriz de energia elétrica, bem

como seu princípio de funcionamento, aspectos tecnológicos e impactos ambientais. No

Capítulo 2, faz-se um estudo acerca do histórico e panorama atual do aproveitamento da

energia maremotriz no mundo. Realiza-se uma análise desde o início da exploração da energia

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das marés com a introdução de moinhos na época do imperialismo romano, até a construção

de grandes plantas de usinas para geração de eletricidade.

No Capítulo 3, explicam-se os princípios básicos de funcionamento da geração maremotriz

através do comportamento cíclico e sazonal das marés, bem como a origem das marés e seus

fatores influentes (gravidade e meteorologia).

Os Capítulos 4 e 5 tratam dos aspectos econômicos e impactos ambientais relacionados à

exploração desta fonte de energia. Faz-se também uma análise de futuras situações e quadros

que possam ocorrer em função destes empreendimentos, uma vez que por se tratar de uma

tecnologia recente, seus impactos não são inteiramente compreendidos até o momento.

No Capítulo 6, modelou-se um sistema típico utilizado em uma usina maremotriz, baseando-

se na literatura disponível relativa aos princípios de conservação de energia, principalmente.

Então, estimou-se um cálculo eletro-energético de uma usina, tendo conhecimento já de

valores, por exemplo, de amplitudes de maré, área e altura do reservatório, entre outros dados

necessários para o cálculo.

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2 Histórico

2.1 Panorama Mundial

Já na época do expansionismo romano eram registradas formas de utilização do fenômeno das

marés para a construção de moinhos (aproveitamento de energia mecânica), que represavam

água durante a enchente e a liberavam na vazante, movimentando as rodas d’água. Estes

engenhos eram utilizados para moagem de grãos, bombeamento de água, ente outras

aplicações (Ferreira, Rafael. 2007).

Porém, somente agora na contemporaneidade que se iniciou o aproveitamento das marés para

a geração de energia elétrica de fato, constituindo-se, portanto, de uma fonte relativamente

recente e inovadora.

A exploração dos estuários para obtenção de energia das marés através da

construção de barragem é bem recente. O primeiro projeto de uma barragem sobre o

estuário do rio Severn, Reino Unido, data de 1849 e a implantação de uma usina

maremotriz por parte do ministério dos transportes britânico data de 1920. Durante

as décadas de 1920 e 30, diversos conceitos para a extração de energia maremotriz

em estuários foram propostos no Reino Unido (Severn e Mersey), França (La

Rance) e nos EUA (Passamaquoddy). (Ferreira, Rafael. 2007 p. 12)

Somente em 1966 foi construída a primeira grande usina maremotriz para uso comercial no

mundo, em La Rance na França. Localizada na região da Bretanha, é até hoje a maior usina

maremotriz do mundo, aproveitando o potencial do estuário do rio Rance. Sua potência

nominal é de 240 MW e as alturas de maré no local chegam a 13,5 metros. A casa de força

possui 24 geradores, de 10 MW cada. O estuário tem largura de 740 m no ponto escolhido

para construção da barragem, que possui ainda uma autoestrada que liga as cidades de Dinard

e Saint-Malo, uma eclusa de navegação e um dique (Ferreira, Rafael. 2007). Esse é um bom

exemplo de como diluir os custos de implantação da usina através da construção de outras

obras em conjunto com o projeto, associadas à ele, porém com diversas finalidades.

De acordo com a Agência Internacional de Energia Renovável, IRENA, até 2017 a

capacidade instalada de geração de energia oceânica era de cerca de 526 MW (conforme

ilustra a Figura 2), sendo em sua maioria provinda das marés. Por sua vez, este potencial está

concentrado em dois grandes projetos, o de La Rance na França (de 240 MW) e outro na

Coréia do Sul (de 254 MW), e também complementam este quadro um projeto no Canadá

(Annapolis) de 20 MW e outro na China (Jiangxia) com mais de 3 MW instalados, bem como

outros pequenos trabalhos ao redor do mundo (EPE, 2016).

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Figura 2 - Capacidade instalada de geração oceânica

Fonte: IRENA ( 2017)

Conforme o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas, IPCC, o potencial

relativo à energia oceânica chega a 2.050.000 TWh/ano, quantidade muito acima de todo

consumo mundial. Apesar desse alto potencial, os investimentos no setor ainda não são muito

expressivos devido à baixa competitividade econômica causada pela escassez de tecnologias

bem consolidadas.

Na Figura 3 destacam-se os principais lugares no mundo onde a viabilidade para

aproveitamento da energia das marés é maior, ou seja, lugares onde as amplitudes das marés

estão acima de 5 metros pelo menos.

Figura 3 - Maiores amplitudes de maré no mundo

Fonte: Ferreira, Rafael (2007)

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2.2 Panorama Nacional

Atualmente, o aproveitamento maremotriz possui pouquíssima influência na matriz energética

brasileira. Os principais esforços para o desenvolvimento destas tecnologias se concentram no

Amapá, Pará, Ceará, Rio de Janeiro, e no Maranhão onde as alturas de maré ultrapassam 6

metros. Esta grande amplitude de maré aliada ao surgimento de turbinas hidrelétricas de baixa

queda torna viável o aproveitamento desta fonte energética (Ferreira, Rafel. 2007).

Após o sucesso da usina de La Rance, na França, foi iniciado um estudo pela Eletrobrás para

estimar o potencial maremotriz brasileiro, identificando regiões propícias para o

aproveitamento dessa matriz energética, ou seja, com elevadas amplitudes de maré e

topografia adequada para a realização das obras de engenharia necessárias (LIMA, Shigeaki

Leite. 2005).

Assim, o relatório elaborado pela Eletrobrás “Aproveitamento Maré-motriz na costa do

Maranhão-Pará-Amapá” sinalizou a existência de mais de 40 baías com condições geográficas

favoráveis para a construção de uma barragem e com amplitudes de maré suficientes para

possibilitar a geração maremotriz, das quais algumas são citadas na Tabela 1 e na Figura 4.

Tabela 1 - algumas localidades viáveis para aproveitamento maremotriz (MA)

Fonte: Lima, Shigeaki Leite (2005)

Figura 4 - localidades abrangidas no relatório (MA e PA)

Fonte: Lima, Shigeaki Leite (2005)

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Segundo Tolmasquim: “A extensa costa brasileira e as vastas áreas de mar territorial são

condições naturais para o aproveitamento energético dos recursos do mar.” (EPE, 2016,

p.416). O Brasil é um país favorecido com uma enorme faixa costeira com boas condições de

marés, principalmente na região Nordeste, causadas pelos ventos alísios, que garantem

ondulações constantes durante todo o ano. Este fator torna a energia maremotriz uma opção

de fato realmente atraente, pois garantiria um fornecimento considerável de energia para o

país.

Em relação ao aproveitamento da maré, as melhores condições estão associadas às

regiões de macro-maré, onde a amplitude pode chegar a cerca de 8 metros,

encontradas no Brasil somente no litoral do Amapá, Pará e Maranhão. (Tolmasquim,

2016, p. 417)

Figura 5 - Potencial de geração oceânica no Brasil

Fonte: COPPE/UFRJ; SEAHORSE WAVE ENERGY (2013)

Na Figura 5 acima, tem-se o potencial brasileiro estimado de energia de ondas e marés,

contudo, neste trabalho estamos focados apenas na energia maremotriz, que se concentra na

região Nordeste. Como irá ser explicado mais adiante no capítulo “3.1 Comportamento das

marés”, as marés tem forte dependência da força gravitacional lunar, logo, as regiões mais

próximas à linha equatorial tendem a possuir maiores amplitudes de maré e condições mais

favoráveis para este tipo de aproveitamento energético. Assim, é de se esperar que os

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principais esforços com relação ao desenvolvimento destas tecnologias estejam na região

Nordeste do Brasil.

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3 Princípio de Funcionamento

3.1 Comportamento das marés

Pode-se considerar que, de certa maneira, a energia proveniente das marés é uma forma de

energia solar. As ondas do mar são formadas devido à incidência de ventos ao longo da

superfície do oceano, que por sua vez são consequência da diferença de temperatura de

massas de ar, portanto considera-se que a energia maremotriz advém da energia solar, assim

como muitas outras fontes energéticas.

A energia contida nas ondas é, assim, uma forma de energia solar, porém mais

concentrada. O fator de acumulação de energia solar na formação dos ventos é de 2

a 6 vezes, enquanto o fator de acumulação da energia eólica em energia de onda é de

aproximadamente 5 vezes. Portanto, a energia das ondas é de 10 a 30 vezes mais

densa que a solar (TOLMASQUIM, 2003). Isto implica em que, para um mesmo

potencial energético, são requeridas menores áreas para a conversão da energia das

ondas em eletricidade, inversamente àquelas necessárias aos aproveitamentos das

energias solar e eólica (COPPE/UFRJ; SEAHORSE WAVE ENERGY, 2013).

(EPE, 2016, p. 412).

Assim, num mundo onde a demanda energética só aumenta, poder ter a oportunidade de

geração de energia em espaços menores e que exijam menos esforços em comparação com os

meios atuais de obtenção, como a hidrelétrica e a térmica, torna a energia das marés um

modelo de fato atraente para complementação da matriz energética brasileira.

A maré se subdivide em dois tipos, astronômica e meteorológica:

Figura 6 - Períodos lunares (sizígia e quadratura)

Fonte: EPE (2016)

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As maiores amplitudes de maré ocorrem em períodos de Lua Cheia e Lua Nova, em que o

Sol, a Terra e a Lua se alinham, somando-se as forças gravitacionais imprimidas pelo Sol e

pela Lua nos oceanos. Já as menores amplitudes ocorrem nas Luas Crescente e Minguante. A

Figura 6 ilustra esta situação.

Além disso, é importante ressaltar também que os pontos terrestres mais próximos da lua

possuem maior influência de sua força gravitacional. Assim sendo, quanto mais perto da linha

do equador, em geral maiores serão as amplitudes de maré, e maior será seu potencial de

geração elétrica.

O outro tipo de maré, a maré meteorológica é causada por variações de pressão e vento,

acarretando na variação do nível do mar, mas esta influencia de forma bem mais tímida do

que as de causa astronômica. Este tipo de maré não pode ser prevista, devido seu caráter

aleatório.

No caso brasileiro, o litoral norte e nordeste são muito pouco influenciados pela

maré meteorológica, ao passo que, possuem significativas alturas de maré

astronômica devido à proximidade do equador. Em contrapartida, o litoral sudeste e

sul sofrem bastante influência da maré meteorológica, devido às tempestades

intensas no Atlântico Sul. (Ferreira, Rafael. 2007 p. 58)

Durante o dia, o ciclo de maré costuma se repetir duas vezes, somando-se duas preamares e

duas baixamares. Desta forma, a potência teórica da usina varia a cada instante e torna-se nula

quando os níveis do lado interno e externo da barragem se igualam. Ao longo do mês, devido

às posições relativas do sistema Terra, lua e sol, as amplitudes de maré variam a cada ciclo,

existindo duas marés de sizígia (de maiores amplitudes, portanto, resultam em maior geração)

e duas marés de quadratura.

Esta intermitência das marés consiste em um dos principais problemas de se integrar uma

usina maremotriz diretamente na rede, devido à descontinuidade da geração. Assim, sugere-se

que haja uma integração da usina com outras formas de aproveitamento (seja termelétrica,

hidrelétrica, ou outras). Por seu caráter de fácil previsibilidade, as maremotrizes poderiam ser

utilizadas para reduzir a carga sobre estas outras usinas, possibilitando uma economia na

geração e benefícios socioambientais. Rafael Ferreira (2007) sugere:

A operação da usina maremotriz, em virtude das suas variações diárias e mensais,

possibilita que a usina hidrelétrica pare de funcionar nos períodos de geração da

primeira. Durante este tempo, a hidrelétrica poderia recuperar os níveis de seu

reservatório e operar posteriormente com maior eficiência.

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Adicionalmente, sabe-se também que outro fator muito influente na variação da amplitude de

maré está associado essencialmente ao formato da costa, ao seu recorte. As marés sofrem,

portanto, de fenômenos como reflexão, difração, refração e até mesmo de influências devido à

topografia oceânica (batimetria), variando assim a amplitude e velocidade das ondas de maré.

A medida que, a onda de maré se aproxima da plataforma continental ou se propaga

em estuários, baía e enseadas o fluxo se concentra conduzindo a elevação do nível

do mar local. Nestes casos a maré pode atingir 3 metros na plataforma continental e

em determinados estuários mais de 10 a 15 metros. (Ferreira, Rafael. 2007 p. 56)

Essa variação de energia da onda se deve basicamente a dois fatores: a morfologia do estuário

e o atrito existente com o fundo do mar. Dessa forma, a perda de energia pelo atrito gera uma

diminuição da amplitude da onda, enquanto o afunilamento dos estuários e efeitos de

ressonância causam acréscimos nas mesmas. Este fenômeno está ilustrado na Figura 7.

Figura 7 - Variação da amplitude de maré ao longo do rio Severn, Reino Unido

Fonte: BEZERRA (2011)

Então, como já dito, à medida que se aproxima da costa a amplitude de maré aumenta

consideravelmente devido aos fenômenos de afunilamento, ressonância e reflexão que

ocorrem por causa da geometria do estuário.

O efeito de ressonância consiste na reflexão da onda de maré, ocorrendo posteriormente um

choque construtivo com a maré que está entrando no estuário. Aliado a isto, o afunilamento

(redução da largura e profundidade) dos estuários também contribui para o aumento da

densidade de energia das marés devido ao fenômeno da conservação das massas num

escoamento.

A figura 8 mostra as duas principais formas de se aproveitar a energia das ondas, que pode ser

subdividida em energia cinética (relacionada ao movimento das partículas de água,

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empregando o fluxo e refluxo das marés) e energia potencial (relacionada à diferença de

altura entre partículas, utilizando a subida e descida do nível do mar). Estes conceitos podem

ser usados para o entendimento dos conversores de energia utilizados atualmente e até mesmo

para o desenvolvimento de novos modelos.

Figura 8 - Energias das ondas

Fonte: EPE (2016)

Dessa forma, podemos dizer que a energia das marés pode ser decomposta em potencial

(massa ‘m’ a uma altura ‘h’, em um campo gravitacional ‘g’) e cinética (massa ‘m’ a uma

velocidade ‘v’), como feito a seguir:

𝐸 = 𝐸𝑝 + 𝐸𝑐 = 𝑚𝑔ℎ +𝑚𝑣2

2

Como a massa é equivalente à massa específica vezes o volume do corpo, tem-se:

𝐸 = 𝜌𝑉𝑔ℎ +𝜌𝑉𝑣2

2

Tratando-se do fenômeno das marés, o volume de água (‘V’) pode ser substituído pela área de

estuário (‘𝐴𝑅’) vezes a altura da maré (‘h’). Assim observa-se que a energia potencial gerada

depende do quadrado da altura da maré:

𝐸𝑝 = 10,15𝐴𝑅ℎ2 [𝑘𝐽]

Portanto, de acordo com Rafael (2007), e sendo 𝐴𝑅 (área de reservatório em km²), H (altura

da maré em metros), g (aceleração da gravidade em m/s²), 𝜌 (massa específica da água em

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kg/m³) e T (ciclo de maré em segundos), podemos calcular a energia potencial e a potência do

movimento das marés:

𝐸𝑝 = 𝐴𝑅𝜌𝑔 ∫ ℎ𝑑ℎ

𝐻

0

𝑃 =𝐴𝑅𝜌𝑔 ∫ ℎ𝑑ℎ

𝐻

0

𝑇

Neste trabalho estamos mais interessados na energia de maré propriamente dita e não na

energia das ondas. Existe uma ligeira diferença entre ambas, pois as marés se constituem de

movimentos aleatórios principalmente na linha da costa, e justamente esse movimento de vai

e vem de grandes massas de água que são aproveitados por turbinas para geração de energia

elétrica. O processo é bem parecido com o utilizado em usinas hidrelétricas, porém o

movimento costuma ser bidirecional ao invés de unidirecional como se vê em hidrelétricas.

Essa energia de vai e vem das marés (enchimento e esvaziamento do reservatório) pode ser

expressa como:

𝐸𝑣𝑎𝑖 = 𝜌𝑔 ∫ 𝐴(ℎ)(𝐻 − ℎ)𝑑ℎ

𝐻

0

𝐸𝑣𝑒𝑚 = 𝜌𝑔 ∫ 𝐴(ℎ)ℎ𝑑ℎ

𝐻

0

𝐸𝑡𝑜𝑡 = 𝐸𝑣𝑎𝑖 + 𝐸𝑣𝑒𝑚 = 𝜌𝑔𝐻 ∫ 𝐴(ℎ)𝑑ℎ

𝐻

0

Logo, se considerarmos A(h) constante e igual à 𝐴𝑅, podemos substituir a integral da equação

acima pelo volume de água no estuário:

𝐸𝑡𝑜𝑡 = 𝜌𝑔𝐻𝑉𝑅 = 𝜌𝑔𝐻2𝐴𝑅 = 226𝐴𝑅𝐻² [𝑘𝑊ℎ]

De certa maneira, prever o comportamento das marés é um cálculo viável e até simples, pois

os fatores astronômicos ocorrem de maneira cíclica. Assim, a energia maremotriz depende

sim de fatores sazonais, como a energia eólica e a solar, porém de forma muito menos intensa,

sendo considerada uma fonte de alta previsibilidade. E, a enorme densidade energética que se

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obtém somado ao fato de serem consideradas energias limpas pode compensar muito o seu

estudo e utilização.

3.2 Usina maremotriz

As usinas maremotrizes e suas tecnologias utilizadas atualmente são muito parecidas com as

de natureza hidrelétrica. Ambas aproveitam o fluxo d’água para gerar eletricidade por meio de

turbinas e geradores, conectados entre si. Contudo, no caso das maremotrizes, o fluxo de água

pode ser bidirecional, gerando energia tanto durante a maré enchente, quanto na maré vazante

(geração de duplo efeito).

As usinas maremotrizes podem ter seu funcionamento de efeitos simples ou duplo,

isto é, geração de eletricidade só na maré enchente ou vazante ou em ambas,

aumentando a produção. Pode haver ou não bombeamento, durante as horas de

espera, para otimizar o nível do reservatório. (Ferreira, Rafael, 2007)

Os dois principais modos de aproveitamento da energia potencial das marés são: geração em

maré vazante e geração em maré enchente, porém, a combinação de ambas também é

possível. Quando a geração de energia acontece somente durante a maré vazante ou enchente,

esta é chamada de geração em efeito simples; quando as duas maneiras são utilizadas, é

chamada de geração em efeito duplo.

A geração em efeito simples de maré vazante é a mais simples estratégia de operação de uma

usina maremotriz. Seu funcionamento consiste em armazenar água no reservatório durante a

maré alta, gerando energia durante a maré baixa, quando ocorre o maior desnível. Isto

acontece até que a altura da queda d'água seja a mínima possível para gerar energia. Então, as

passagens de água através das turbinas são bloqueadas, cessando-se a geração de energia até

que o processo se reinicie ciclicamente. A operação descrita é ilustrada pela Figura 9.

Figura 9 - Representação da geração em maré vazante em uma usina maremotriz

Fonte: BEZERRA (2011)

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Analogamente, a geração de energia durante a maré enchente ocorre da mesma maneira,

entretanto, nesse caso o processo ocorre no sentido mar-reservatório. A Figura 10 ilustra a

junção de ambas as formas de aproveitamento, ou seja, geração em efeito duplo.

Figura 10 - Representação da geração em efeito duplo em uma usina maremotriz

Fonte: BEZERRA (2011)

Este tipo de usina é construída em regiões costeiras, geralmente em estuários, em locais

propícios para a construção de barragens. Ou seja, aproveita-se da diferença de potencial

gravitacional entre o nível a montante da barragem e a jusante para se movimentar as turbinas.

Por sua vez, esta rotação faz movimentar os geradores, produzindo energia que é transmitida e

distribuída na rede. As Figuras 11 e 12 são representações simplificadas destas usinas.

Figura 11 - Princípio de funcionamento de uma usina maremotriz

Fonte: EPE (2016)

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Os principais componentes de uma usina maremotriz são: a barragem, as comportas, o

reservatório, e os equipamentos eletromecânicos (turbogeradores), como ilustrado na Figura

12 abaixo.

Figura 12 - Principais Componentes de uma Maremotriz

Fonte: BEZERRA (2011)

Barragem

O projeto da barragem deve levar em consideração características especificas para o

aproveitamento das marés. Por exemplo, essa deve ser capaz de suportar os efeitos dos

choques com as ondas do mar, e a constante variação de pressão entre os dois lados da

mesma. Além disso, o local e forma da barragem também são de grande importância visto que

estes influenciam diretamente nos efeitos de ressonância e reflexão da maré no estuário,

podendo aumentar ou diminuir suas amplitudes.

A construção da barragem representa uns dos fatores mais relevantes em uma usina

maremotriz, principalmente por se relacionar de forma bastante significativa com os

custos totais de implantação da usina. (Bezzera, Neto, 2011)

Comportas

As comportas têm como principal função controlar o nível de água do reservatório, sendo

abertas e fechadas tantas vezes de acordo com o tipo de maré e o modo de operação da usina

(simples ou duplo efeito).

Por operarem com uma frequência maior que as comportas de hidrelétricas normais e também

por serem localizadas num ambiente muito propício à corrosão e com constante impacto das

ondas, as comportas das maremotrizes devem ser cuidadosamente projetadas para operarem

com uma boa confiabilidade e rapidez. Evitando, assim, possíveis problemas operacionais.

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Reservatório

O reservatório em uma maremotriz armazena água para gerar a queda d'água necessária para

geração de eletricidade. Estes geralmente são formados pelos próprios estuários, mas também

podem ser reentrâncias costeiras, enseadas ou corpos de águas entre ilhas e continentes.

Equipamentos Eletromecânicos

Os equipamentos conversores de energia são responsáveis por mais da metade do custo total

de uma usina maremotriz (Bezerra, 2011). Deve-se sempre considerar algumas condições para

a escolha destes, como a constante variação da altura de queda causando fadigas aos

equipamentos, os altos índices de corrosão à que ficam expostos, entre outros fatores.

Assim como em usinas hidrelétricas, é realizada a escolha da turbina a ser utilizada levando-

se em consideração a altura de queda, em metros, e também a vazão, em metros cúbicos por

segundo. As turbinas mais empregadas são de dois tipos basicamente, as de ação (Pelton,

principalmente) e as de reação (Francis, Hélice e Kaplan).

As turbinas hidráulicas utilizadas nas pequenas centrais hidrelétricas devem ser

selecionadas de modo a se obter facilidade de operação e manutenção, dando-se

grande importância à sua robustez. Assim sendo, na escolha de uma turbina deve-se

analisar, além de seu preço, as garantias oferecidas pelo fabricante quanto a ausência

de cavitação no rotor da turbina, ao imediato atendimento em caso de problemas na

operação da máquina e a pronta troca de componentes danificados. (Mauad, 2017, p.

151)

Figura 13 - Ábaco de seleção de turbinas

Fonte: MAUAD (2017)

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Dessa forma, a partir do que foi mencionado e da imagem da Figura 13 que representa o

ábaco de seleção de turbinas para um projeto, vemos que as turbinas Kaplan e Bulbo são as

mais recomendadas para o caso das maremotrizes, já que são adequadas para casos de baixa

queda e alta vazão de água. Além disso, são turbinas que ficam submersas e são ideais para

sistemas com pouca variação de carga. Além destas, utiliza-se também turbinas do tipo

Straflo, também de baixa queda, porém com pólos geradores ao redor da turbina, tornando-a

compacta e aumentando a área de escoamento, utilizadas, por exemplo, na usina de Annapolis

Royal no Canadá (Ferreira, Rafael. 2007). As principais turbinas utilizadas estão presentes na

Figura 14.

Como mencionado anteriormente nesta seção, um fator limitante com relação às turbinas é

que estas devem ser construídas ou revestidas com materiais não oxidantes devido ao

constante contato com água do mar, que possui elevado índice de salinidade. Este fato onera

bastante a confecção destas turbinas.

Figura 14 - Turbinas mais utilizadas em usinas maremotrizes

Fonte: FERREIRA (2007)

Os principais fatores para a determinação dos sítios potenciais ao aproveitamento maremotriz

são a altura das marés, a área do reservatório, o comprimento da barragem e a proximidade do

mercado consumidor. Para isso, Robert Gibrat, construtor da usina francesa de La Rance,

introduziu um coeficiente que leva seu nome, relacionando o comprimento da barragem com

a energia gerada. Sendo que quanto menor for este coeficiente de Gibrat, mais propício é o

sítio para a construção de uma usina.

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𝐺𝑖𝑏𝑟𝑎𝑡𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜 =𝐶𝑚

𝐸𝐾𝑊ℎ

Sendo 𝐶𝑚 o comprimento da barragem, em metros, e 𝐸𝐾𝑊ℎ a energia produzida pela usina

durante um ano, em KWh.

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4 Impactos Socioambientais

Primeiramente, a energia das marés trona-se bastante atraente do ponto de vista ambiental

visto que estamos tratando de uma fonte de energia renovável e limpa (que não emite gases

poluentes e/ou de efeito estufa). Este fator por si só já deve ser suficiente para incentivar o seu

estudo e desenvolvimento. De acordo com Hammons (1993), a estimativa é que a cada TWh

de energia gerada por uma maremotriz, deixa-se de emitir um milhão de toneladas de dióxido

de carbono.

Além disso, ressaltando o fato desta fonte ser praticamente inesgotável, cita-se Tolmasquim

novamente: “trata-se de um recurso abundante, dado o tamanho da costa brasileira e

considerando que os oceanos cobrem 70% da superfície terrestre” (EPE 2016, p. 437).

Outro aspecto positivo relaciona-se à grande previsibilidade desta fonte, diferentemente de

outras energias também renováveis, como a solar e eólica, que dependem muito de fatores

climáticos. Assim, seria possível ampliar a matriz energética brasileira, amenizando o

problema da intermitência causada por essas fontes dependentes da sazonalidade climática.

Como os esforços com relação a esse tipo de geração são ainda muito pouco expressivos, os

impactos ambientais causados são pouco conhecidos até o momento. Porém é possível

imaginar alguns efeitos negativos, como por exemplo, a ocupação de áreas naturais, alterando

as paisagens locais, a interferência no meio ambiente da costa, na flora e fauna marinha e até

mesmo em atividades turísticas.

Outro impacto ambiental relevante é a interferência na flora e fauna marinha,

devido: à instalação de equipamentos no subsolo marinho; à geração de ruídos,

prejudicial para cetáceos e pinípedes; campos eletromagnéticos, especificamente

prejudiciais para tubarões e arraias; e a criação de áreas de abrigo e proteção, que

pode gerar interferências na estrutura das comunidades bióticas locais.

(Tolmasquim, 2016, p. 439).

Os estuários são locais de altíssima diversidade ecológica devido à dinâmica do encontro das

águas dos rios com o mar, que permite um grande acúmulo de nutrientes. Assim, uma

barragem pode alterar significativamente estes ciclos ambientais, impactando de diversas

formas a flora e a fauna. Portanto, a costa é um local de enorme importância ecológica para

reprodução, berçário, alimentação e abrigo de diversas espécies. Tudo isso pode inclusive

acarretar numa possível alteração na dinâmica do meio biótico dos estuários e também na

qualidade da água. Portanto, devem-se promover programas de pesquisa e monitoramento

para controlar estes impactos e tentar minimizá-los.

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Atividades pesqueiras também podem sofrer um enorme impacto neste sentido já que as

regiões de estuário são comumente utilizadas para esta finalidade econômica, e a construção

de barragens pode inclusive impedir a navegação de embarcações.

Outro perigo é a construção de usinas em áreas costeiras preservadas, representando um risco

de desmatamento e a possível ocorrência de erosão, sendo necessário tomar cuidado durante a

execução do projeto e atentar-se ao reflorestamento e resgate da flora existente no local.

Em contraste com as usinas hidrelétricas, nas maremotrizes não há a necessidade de se

inundar grandes áreas para a construção de um reservatório

As usinas maremotrizes são grandes empreendimentos e, portanto, contribuem para a geração

de empregos e dinamização da economia.

A tabela 2 resume bem alguns dos impactos ambientais existentes e propões também medidas

profiláticas que podem ser tomadas para cada caso específico.

Tabela 2 – Impactos socioambientais e medidas profiláticas

Fonte: EPE (2016)

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5 Aspectos Econômicos

Com relação aos aspectos econômicos, as usinas maremotrizes possuem um custo de

produção de energia elevado no tempo presente, possuindo um custo de investimento

aproximado entre US$ 4.500/kW a US$ 6.000/kW segundo pesquisas da Black & Veatch

(2012). Esta é a principal dificuldade encontrada com relação a este tipo de energia, e se

atribui ao alto investimento inicial dado a dispendiosa construção das usinas que demoram

mais para serem construídas do que as hidrelétricas em geral, porém possuem uma maior vida

útil também em contra partida. As maremotrizes levam em média 6 anos para serem

construídas, mas possuem vida útil de cerca de 50 anos (Tolmasquim, 2016, p. 434)

Para se determinar a rentabilidade de um projeto de uma usina maremotriz, como já

mencionado, utiliza-se o coeficiente de Gibrat, que é dado pelo comprimento da barragem, em

metros, em relação à quantidade de energia gerada pela planta, em kWh/ano. Isto se justifica,

pois o tempo e custo da construção são diretamente proporcionais ao tamanho da barragem.

Dessa forma, quanto menor for esta relação, melhor será o custo-benefício.

A planta de La Rance (França), por exemplo, tem um Gibrat Ratio de 0,36, enquanto

o projeto da usina de Severn (Reino Unido) apresenta um fator de 0,87 (OCEAN

ENERGY COUNCIL, [s.d.]). (Tolmasquim, 2016, p. 433)

Uma boa alternativa para se tentar reduzir custos nestes projetos é associando-os a outros

projetos, por exemplo, como feito na planta de La Rance, na França, em que a barragem foi

aproveitada para a construção de uma rodovia. Dessa maneira, levando em consideração a

longa vida útil da usina juntamente com a associação desta com outros empreendimentos (tais

como melhorias de navegação, construção de rodovias e ferrovias, entre outros) podem-se

obter benefícios que compensem os altos custos de investimento, desonerando o processo.

Segundo Andy Goldman (2012), a amplitude das marés podem variar entre 4,5 e 12,4 metros

e para que seja economicamente viável sua exploração, o ideal é que tenha pelo menos 7

metros. A amplitude de 7 metros é necessária para fornecer massas de água suficientes para as

turbinas.

Além disso, como já dito, a energia das marés é previsível e regular durante o ano, facilitando

o planejamento da geração de energia.

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6 Modelagem e Cálculo Eletroenergético de uma Maremotriz

Como já discutido no capítulo 3 “Princípio de Funcionamento”, a geração maremotriz pode

ser bem semelhante à hidrelétrica, sendo que ambas utilizam-se de barragens e reservatórios,

diferindo basicamente no sentido de que o primeiro caso pode gerar energia nos dois sentidos

de escoamento da água e funcionar com quedas reduzidas (Ferreira, Rafael. 2017).

Em relação à parte estrutural da barragem e equipamentos conversores de energia, o

modelo de usinas hidrelétricas pode ser mantido. A barragem do aproveitamento

maremotriz compreende um sistema de tomada de água, comportas, vertedouro

dimensionado de acordo com a acumulação propiciada pela maré e em menor escala

pela descarga do rio e casa de força equipada com turbinas adaptadas a operações de

baixa queda. (Ferreira, Rafael. 2007 p. 80)

Figura 15 - Esquemático de uma usina maremotriz

Fonte:BATALHA (2014)

Na literatura, encontram-se as seguintes equações para a conversão da energia das marés nos

estuários. A teoria desenvolvida pelos autores Bernshtein (1961), Gibrat (1966), Prandle

(1984) e Godin (1988) leva em consideração as mudanças dos níveis de água entre os lados da

barragem. Essa diferença de nível entre reservatório e estuário, 𝐻𝑏 (altura bruta), pode ser

calculada:

𝐻𝑏(𝑡) = |𝐻𝑅(𝑡) − 𝜁0𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡|

Onde 𝑧 = 𝐻𝑅(𝑡) é o nível do reservatório e 𝜁 = 𝜁0𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡 representa o nível do estuário em

função do tempo. Assim calcula-se a vazão:

𝜕𝐻𝑅

𝜕𝑡𝐴𝑅 = −𝑄(𝑡)

Onde Q é dado em m³/s (vazão utilizada para geração de energia) e 𝐴𝑅, em km², é a área do

reservatório. Integrando em relação ao tempo, tem-se:

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∫ 𝑄(𝑡)𝑑𝑡

𝑇/2

0

= ∫𝑑𝑧

𝑑𝑡𝐴𝑅𝑑𝑡

𝑇/2

0

Portanto, o volume total no reservatório será o desnível de maré ao longo de meio ciclo

multiplicada pela área do mesmo:

𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = [𝑧 (𝑇

2) − 𝑧(0)] 𝐴𝑅

Com base no princípio de energia potencial gravitacional, a potência gerada em um ciclo de

maré pode ser obtida por:

𝑃 =𝜌𝑔 ∫ 𝑄(𝑡)𝐻𝑏(𝑡)𝑑𝑡

𝑇

Esta expressão é equivalente à que encontramos no capítulo 3.1 sobre “Comportamento das

marés”, e como já discutido, esse cálculo para determinação da potência e energia de um

sistema maremotriz pode ser obtido/simplificado através das expressões de Bernshteaein,

sendo função somente da área do estuário e também do desnível da maré. Assim, supondo que

a bacia encha instantaneamente, a potência bruta de um estuário é dada pela expressão:

𝑃 = 226. 𝐴𝑅 . 𝐻²

Onde P é a Potencia (kW); .H é a amplitude da maré (m) e 𝐴𝑅 a área do estuário (Km²).

Observa-se que a altura multiplicada pela área do reservatório pode ser aproximada pelo

volume armazenado no reservatório. Esse volume que entra e sai do estuário é chamado de

prisma de maré, e quando dividido pelo período de maré (𝑇 =̃ 6 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠) resulta na vazão (Q),

utilizada para gerar energia. Por fim, se multiplicarmos a vazão Q pela altura H, obtemos a

potência hidráulica:

𝑃 = 𝛾𝑄𝐻

Onde 𝛾 é o peso específico da áqua do mar, cerca de 10.250 N/m³.

A seguir tem-se a variação da amplitude de maré ao longo de um mês no porto de Itaqui,

Maranhão (Figura 15). E a imagem seguinte (Figura 16) ilustra os estágios de operação da

maremotriz que se repetem a cada ciclo de maré.

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Figura 16 - Variação da amplitude de maré durante o mês de setembro de 2010 no porto de Itaqui (MA)

Fonte: BEZERRA (2011)

Figura 17 - Estágios de operação de uma maremotriz

Fonte: FERREIRA (2007)

O primeiro estágio acontece quando o mar está no seu nível mínimo (baixamar) e o

reservatório está numa cota superior, quando a geração se dá aduzindo água para a

turbina fixa no sentido reservatório-mar. O segundo estágio acontece quando a

diferença de cota entre o nível do mar e o reservatório é inferior àquela admitida

pela turbina, não havendo neste estágio geração de energia. No terceiro estágio, a

diferença entre o nível do mar (preamar) e a cota do reservatório possibilita a

geração de energia, e esta se dá no sentido mar-reservatório através da turbina

móvel. No quarto estágio, o nível do mar é máximo (preamar) e a turbina móvel

alcança a sua posição final, a geração continua se dando no sentido mar-reservatório.

A partir de então, repetem-se os quatro estágios de maneira inversa, ou seja, do

quarto para o primeiro. (Ferreira, Rafael, p. 89)

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A partir do estudo realizado até aqui, foi possível implementar uma ferramenta simples no

software Microsoft Excel que permite uma análise aproximada da potência gerada por uma

usina maremotriz. Esta ferramenta utiliza dados (inseridos pelo usuário por meio de botões de

rotação) de nível e área de reservatório, e amplitude de maré na área de estudo, podendo ser

analisadas diversas situações diferentes de maneira fácil e simples.

Figura 18 - Ferramenta criada no Excel para estimação do potencial de uma maremotriz

Nota-se, pelo gráfico da potência gerada, os pontos do dia em que o nível do reservatório se

iguala à altura de maré, não gerando nesses momentos. Portanto, apesar de quantitativamente

os dados não estarem extremamente precisos, o aspecto comportamental da usina foi

representado de uma maneira relativamente fiel à realidade.

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7 Conclusões

A geração de energia proveniente dos oceanos se encontra ainda em fase de maturação e de

desenvolvimento tecnológico de protótipos, que variam de acordo com cada região e sua

topografia e características. Entretanto, devido a sua semelhança com sistemas de geração de

energia hidrelétrica, o aproveitamento da energia das marés por meio de barragens já avançou

bastante.

Contudo, por causa das dificuldades de se implementar grandes projetos no mar devido aos

problemas com corrosão elevada e da falta, ainda hoje, de tecnologias suficientemente

consolidadas, os custos para construção de usinas maremotrizes são altos. E, de fato, são

necessários mais estudos para o levantamento do potencial teórico de cada região no mundo,

como o conhecimento da morfologia costeira, das elevações de maré, batimetria e topografia

das áreas.

Nesse sentido, um importante aspecto relacionado às energias oceânicas está ligado ao fato de

estarem localizadas próximas à costa, onde geralmente estão as maiores concentrações de

habitantes, ou seja, os centros de carga. Com isto, haveria uma redução considerável das

distâncias de transmissão de energia, diminuindo gastos e perdas.

O Brasil, em especial, é um país deveras privilegiado com sua enorme faixa costeira e boas

condições de marés, principalmente na região Nordeste, podendo assim esta fonte se tornar

uma excelente alternativa de complementação da matriz energética brasileira.

Como já mencionado, o comportamento das marés depende de fatores climáticos sim, porém

a influência de fatores astronômicos é muita mais expressiva. Sabe-se que estes fenômenos

ocorrem de forma cíclica, geralmente em períodos de 12 ou 24 horas, portanto, isto confere

uma alta previsibilidade à geração maremotriz.

A energia das marés, além de ser renovável (portanto, inesgotável) é uma energia bem

distribuída pelo globo terrestre, podendo ser aproveitada mundialmente para aumentar a oferta

de eletricidade e contribuir para uma universalização do serviço de energia, contribuindo,

assim, para o desenvolvimento socioeconômico de diversas regiões. Somente, isto já deveria

ser um motivo suficiente para impulsionar o estudo dessa tecnologia.

Porém, sabe-se que os estuários são locais de grande diversidade ecológica, como visto no

capítulo 4. Assim, visto que uma barragem pode modificar ciclos ambientais, impactando de

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diversas formas a flora e a fauna locais bem como a qualidade da água, deve-se promover

programas de pesquisa e monitoramento para controlar estes impactos e tentar minimizá-los.

Por fim, tendo visto o elevado custo de construção de uma usina maremotriz, uma boa

alternativa para se tentar reduzir custos nestes projetos é associando-os a outros projetos, por

exemplo, como a construção de rodovias, ferrovias, entre outros, podendo-se obter benefícios

que compensem os altos custos de investimento, desonerando o processo. Além de,

obviamente, investir em pesquisa e desenvolvimento na área para reduzir os custos associados

ao projeto.

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