estimativa do potencial para geração de energia elétrica em uma

4º Simpósio de Integração Científica e Tecnológica do Sul Catarinense – SICT-Sul

ESTIMATIVA DO POTENCIAL PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM UMA PLATAFORMA DE PESCA NO SUL DE SANTA CATARINA

Raffaela Zandomenego1, Nágila Lucietti Schmidt1, Carla de Abreu D’Aquino1

¹UFSC/Laboratório de Hidrologia, Hidrodinâmica e Geoprocessamento/[email protected]

Resumo: O objetivo principal deste estudo foi realizar a análise de dados de ondas coletados por um ondógrafo em Tramandaí (RS) para calcular o potencial energético das ondas na região de Balneário Arroio do Silva (SC). Os dados de Tramandaí foram utilizados devido às características semelhantes das costas oceânicas entre as duas praias. Os cálculos foram feitos para determinar o potencial energético total e para cada estação do ano, na região de Balneário Arroio do Silva. Esse potencial energético das ondas oceânicas poderia ser aproveitado para geração de energia renovável para a cidade. Um fator que contribuiu para o estudo foi que a cidade possui uma plataforma de pesca localizada na Praia da Meta, que poderia servir de estrutura fixa para a instalação de um protótipo conversor de energia das ondas em energia elétrica. A análise estatística dos dados foi realizada no software MatLab e após o cálculo dos parâmetros mais importantes, tais como altura e período significativos, foram utilizadas equações matemáticas para o cálculo da potencia e energia total. Como os dados foram coletados em águas intermediárias e a plataforma de pesca se encontra em águas rasas, os dados de energia foram calculados para as diferentes profundidades, com diferentes equações, obtendo-se maior potencial em águas rasas. Foi encontrado o maior valor de potência para o período de inverno, sendo esse período o mais energético para produção de energia a partir das ondas na região. Palavras-Chave: Energia das ondas, Potencial energético, Santa Catarina.

1 INTRODUÇÃO

A quantidade de energia produzida pelas ondas é dependente da transferência

de energia recebida do sol para a atmosfera e oceano, sendo que a intensidade dos

ventos incidentes, a dimensão da área sobre a qual os ventos estão incidindo (pista) e a

duração desta transferência de energia são os principais fatores determinantes na área de

geração de ondas (OLIVEIRA, 2008; CARVALHO, 2010).

De acordo com CARVALHO (2010), através de uma climatologia da energia de

ondas, é possível estimar a intensidade dessa energia e sua variação temporal. O clima

de ondas corresponde ao padrão estatístico dos seus parâmetros descritivos, tais como a

altura, período, direção de propagação e energia (STRAUCH et. al., 2009). Estes

parâmetros permitem identificar quais as regiões com maior potencial para a conversão

de energia de ondas em energia elétrica.

Estima-se que o potencial energético brasileiro, levando em consideração

apenas ondas e marés, é de 114 GW, que poderia contribuir para a ampliação da

demanda de energia e para a diversificação da matriz energética. O potencial está divido

entre o uso da energia das marés na região Norte e a energia das ondas nas regiões

Nordeste, Sul e Sudeste. A Tabela 1 apresenta o potencial teórico da energia das ondas


no país, onde nota-se que no Sul, ele é maior quando comparado com as outras regiões

(ENERGIAS RENOVÁVEIS E SUSTENTABILIDADE, 2012).

Tabela 1 - Potencial energético teórico por regiões do Brasil.

Região Potência (GW)

Norte (marés) 27

Nordeste (ondas) 22

Sudeste (ondas) 30

Sul (ondas) 35

Total 114

Fonte: ENERGIAS RENOVÁVEIS E SUSTENTABILIDADE, 2012.

O foco do estudo foi a determinação do potencial energético de ondas em

Balneário Arroio do Silva (SC), uma vez que o município possui uma plataforma de pesca

que poderia abrigar conversores de ondas (Figura 1 - a).

Figura 1 – Foto de satélite: a) Balneário Arroio do Silva – SC, b) Tramandaí – RS.

Fonte: GOOGLE EARTH - MAPAS, 2015.

2 METODOLOGIA

Para a realização do trabalho foram utilizados dados de ondas coletados “in

situ” na praia de Tramandaí (RS), a qual está a aproximadamente 134 km ao sul de

Balneário Arroio do Silva (SC). Os dados foram adquiridos através de um ondógrafo

direcional waverider da Datawell, fundeado em novembro de 2006 na praia de Tramandaí

(STRAUCH et. al., 2009).

A utilização de dados de Tramandaí para estimar o potencial energético em

Balneário Arroio do Silva justifica-se pelas características oceanográficas da costa.

Conforme Tessler e Goya (2005), o segmento litorâneo que vai do Cabo de Santa Marta

(SC) até o Chuí (RS), tem a mesma caracterização, dada por uma linha de costa retilínea,


associada a planícies costeiras extensas e arenosas e de baixa altitude (Figura 1). Assim,

pode-se atribuir o mesmo clima de ondas para ambas as regiões, com diferença

desprezível entre seus padrões de comportamento de ondas durante o ano. Segundo

Alves et al. (2009), os campos de ondulações provenientes de Sudoeste dominam

praticamente todo o Oeste do Atlântico Sul. Este estado de mar deixa de ser dominante,

no momento em que ondas do quadrante Norte, provavelmente gerados pela circulação

atmosférica à superfície associada ao anticiclone do Atlântico, passam a dominar algumas

áreas.

A descrição das ondas no oceano é de grande complexidade, uma vez que elas

são produto de diversas interações e superposições. O aquecimento da superfície da

terra, por meio da radiação solar, provoca diferentes campos de pressão que resultam no

surgimento dos ventos, os quais transferem energia para a água do mar (através da

atuação das tensões cisalhantes) provocando um distúrbio na superfície. Quando as

ondas atingem um determinado tamanho, o vento pode exercer uma ação mais intensa na

sua face, acarretando um crescimento maior ainda (COSTA, 2004 apud ASSIS, 2010).

A superfície do oceano pode ser interpretada como o resultado da soma de

várias componentes senoidais de diferentes amplitudes, períodos e direções com fases

aleatórias. Para uma onda senoidal plana e progressiva, a elevação da superfície (η) em

função do tempo (t) e da distância (x) é dada por:

(1)

Sendo H a altura da onda, T o período e L o comprimento de onda. Sendo a

amplitude é a metade da altura da onda, a frequência absoluta é e o número de

onda .

As ondas oceânicas podem viajar muitos quilômetros sem perder energia.

Conforme a onda se aproxima da costa ocorre à interação com o fundo do mar e a

densidade de energia tende a diminuir, devido ao atrito. No trânsito entre águas

profundas, intermediárias e rasas, a onda começa a perder velocidade, seu comprimento

passa a diminuir e sua altura a aumentar cada vez mais, até que ocorre a quebra da onda

(Figura 2). Como a energia da onda é função do quadrado da altura, essa transformação

pode ter grande importância na estimativa do potencial de energia das ondas em águas

rasas, próximo à costa.


Figura 2 – Classificação das ondas quanto à profundidade relativa.

Fonte: SILVA, 2012.

A energia total contida em uma onda é a soma das energias cinética e

potencial da mesma. Onde a primeira é resultante do movimento das partículas da água

através do fluido e o segundo consequência do deslocamento da superfície livre da onda.

Estima-se o potencial energético das ondas de uma região de interesse através

da energia total (Eq. 4), para ondas de gravidade, a qual resulta da soma das equações

da densidade média de energia cinética (Eq. 2) e da densidade média de energia

potencial (Eq. 3), assim tem-se:

(2)

(3)

(4)

Onde g é a aceleração da gravidade, em m/s²; e a é a amplitude, em metros.

Essa energia total pode ser utilizada para encontrar o fluxo médio de energia, que é a

taxa que a energia das ondas se propaga por unidade de comprimento de crista, por meio

de um plano vertical perpendicular à direção de propagação da onda.

O fluxo de energia (Eq. 5) pode ser obtido pela multiplicação da densidade de

energia total ( ) com a velocidade de grupo em águas profundas ( , dada pela Eq. 6:

(5)

(6)


Substituindo a Eq. 6 na Eq. 5 obtêm-se a equação da potência (fluxo médio de

energia) para águas profundas, a qual é função da altura significativa e do período das

ondas:

(7)

A Equação 7 foi calculada conforme as médias anual e sazonais, buscando a

diferença de disponibilidade energética das diferentes estações do ano. Os parâmetros

utilizados foram a altura significativa (Hs) e no período médio de energia (Te). A altura

significativa pode ser entendida como a média das alturas do terço superior das ondas

individuais, ordenadas da menor até a maior, durante o período de observação, sendo a

melhor representação de uma onda irregular, que é usada quando se faz necessário

apenas o valor de altura de onda, como é o caso da aplicação da equação de

conservação de energia para estudo das transformações da onda (ASSIS et. al., 2013;

D’AQUINO, 2004

Devido às modificações que as ondas sofrem ao se aproximarem da costa,

espera-se que haja perda de energia nesse processo (OSTRITZ, 2012) e torna-se

interessante uma avaliação mais detalhada acerca do seu potencial energético em águas

rasas e intermediárias, visto que o local desejado para instalar uma estrutura conversora

de energia das ondas consiste em uma plataforma de pesca construída na costa, em

águas rasas.

Dessa forma, a Eq. 6 foi utilizada para o cálculo de potência foi modificada

conforme a profundidade local, considerando-se águas profundas (de onde as ondas

vêm), águas intermediárias o local de coleta de dados e águas rasas o local onde a

plataforma de pesca se encontra. Assim em uma praia reta e longa, com inclinação do

fundo uniforme, as ondas tendem a se propagar perpendicularmente à linha da costa. Em

águas intermediárias temos:

(8)

Já em águas rasas, é:

(9)


Sendo a profundidade da coluna de água, a velocidade de grupo e L o

comprimento de onda. Logo obtemos a equação geral da potência para águas rasas (Eq.

10) e para águas intermediárias (Eq. 11):

(10)

(11)

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 3 mostra a altura significativa das ondas medidas no período de

novembro de 2006 a setembro de 2007 na região de Tramandaí, onde se observa que a

altura significativa está distribuída entre 0,5 e 2 m. A Tabela 2 resume os parâmetros de

onda calculados, a altura significativa (Hs) média anual é 1,2 m, porém, nos meses de

verão e inverno, observa-se o registro de maiores picos de altura, alcançado quase os 3

metros.

Tabela 2 – Valores encontrados para cada estação do ano.

Estação do ano Hs média (m) Ts médio (s)

Primavera 1,2 6,6

Verão 1,3 7,2

Outono 1,2 7,8

Inverno 1,4 7,8

Média Total 1,2 7,7

Figura 3 – Gráfico de altura significativa mensal.

Percebe-se que em todas as estações do ano, os valores de Hs média

ultrapassam 1 m. Os valores de período significativo (Ts) médio variam entre 6,6 e 7,8 s,

o que indica uma dominância de mar local. Strauch et. al. (2009) Hs associou a ocorrência

01/10/06 01/01/07 01/04/07 01/07/07 01/10/070

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Tempo

Altu

ra S

ign

ific

ativa

[m

]


de ondas de 4 metros no outono a chegada de ondas longas provenientes de

tempestades extratropicais, cujo foco de geração é no extremo sul do continente. Já Toldo

Jr et. al. (1993, 2006) descreveram a observação de ondas com média de 1,4 m e

períodos de pico de 7 a 9 segundos na região. Motta (1963) observou que as alturas

significativas de maior frequência eram de 1,5 m e o período de 7 a 8 s, o que mostra que

os valores encontrados para Balneário Arroio do Silva se encaixam com o que foi descrito

pelos autores.

O clima de ondas é tradicionalmente representado pelos diagramas de

dispersão (COLI, 2000), os quais apresentam a distribuição conjunta dos parâmetros

altura significativa, período significativo e direção das ondas, sintetizando os dados de

forma que se pode verificar o espalhamento dos dados. Foram construídos diagramas de

dispersão que relacionam a direção e altura significativa das ondas. A Figura 4 mostra a

distribuição para a série de dados coletados durante todo o período.

Figura 4 - Diagrama de ocorrência conjunta da direção (graus) e altura significativa (m) para a série de dados de

novembro de 2006 a setembro de 2007

50-75 75-100 100–125 125–150 150–75 175-200 200-225 225-250 250-275 275-300

Total

0 - 0,2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1

0,2 - 0,4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0,4 - 0,6 30 0 0 0 0 0 0 0 0 0 30

0,6 - 0,8 60 187 0 0 0 0 0 0 0 0 247

0,8 - 1,0 0 279 205 0 0 0 0 0 0 0 484

1,0 - 1,2 0 0 381 127 0 0 0 0 0 0 508

1,2 - 1,4 0 0 3 362 40 0 0 0 0 0 405

1,4 - 1,6 0 0 0 14 284 9 0 0 0 0 307

1,6 - 1,8 0 0 0 1 36 139 2 0 0 0 178

1,8 - 2,0 0 0 0 0 0 54 70 0 0 0 124

2,0 - 2,2 0 0 0 0 0 0 27 11 0 0 38

2,2 - 2,4 0 0 0 0 0 0 0 13 3 0 16

2,4 - 2,6 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 8

2,6 - 2,8 0 0 0 0 0 0 0 0 1 4 5

2,8 - 3,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

Total 90 467 589 504 360 202 99 24 12 5 2352

Considerando o valor zero para a direção norte e seguindo em sentido horário,

cada direção está localizada a 45 graus uma da outra. As maiores frequências

observadas, indicam incidência de ondas entre 75 a 175 graus, distribuído desde NE até o

S, sendo que a faixa mais frequente é de 100 – 125 graus, correspondendo a 25% do

total de observações, seguido pela faixa de 125 – 150, responsável por 21,4% das

observações para o período amostrado. De acordo com as classes mais frequentes,

observa-se o predomínio de ondas de L, SE e S e considerando essas três direções em


conjunto, são responsáveis por 81,6% das direções predominantes para as ondas

incidentes no período amostrado.

Na Figura 4 observa-se um padrão que as ondas que predominam nas

direções com menores valores possuem menor altura significativa de onda e

gradualmente enquanto os valores para direção aumentam, as alturas significativas

também aumentam. Apesar de poucas observações para SW, W e NW, são essas as que

possuem maiores valores de altura significativa.

Conforme Siegle e Asp (2007), as ondas incidentes na costa, provenientes de

NE e SW são as menos importantes na geração de fluxos longitudinais, pois devido aos

seus baixos ângulos de incidência em relação à costa, elas causam apenas um pequeno

transporte para Sul e Norte, favorecendo a potencial acumulação de sedimentos nessa

área. Por outro lado, as ondas que controlam a maior parte do fluxo longitudinal na região

são provenientes de L e do quadrante S, sendo que as ondas de leste agem por toda a

costa catarinense, gerando um forte transporte para o Sul, devido à orientação da linha de

costa.

A Figura 5 mostra a frequência da energia das ondas para o ano e para cada

estação. A maior frequência anual para os valores de energia se encontram na faixa de

1500 J, podendo alcançar valores de pico de 10500 J, mesmo que com baixa ocorrência.

Os valores de energia na primavera foram menores, quando comparada as outras

estações do ano. A maior frequência encontrada na primavera corresponde a ondas com

energia de aproximadamente 1500 J. As frequências mostradas no gráfico para a

primavera são baixas pelo pouco tempo de monitoramento dos dados de onda neste

período.

Figura 5 – Histograma de energia das ondas.


No verão, o maior valor de energia atingido foi de 10500 J, porém, em

frequências muito baixas. O pico de energia observado foi de aproximadamente 1500 J

com alta frequência observada, aproximadamente 210 vezes. Já no outono, o pico de

energia permaneceu semelhante ao verão, também com 1500 J, mas com uma

frequência muito maior (aproximadamente 600 vezes), conforme Strauch et. al. (2009)

associados a eventos mais energéticos que ocorrem durante o outono, provenientes de

tempestades extratropicais. A Figura 5 ainda mostra uma queda na frequência das

maiores energias de onda observadas no outono. Para o inverno, observa-se a maior

frequência de energia em aproximadamente 1500 J, podendo atingir a frequência de 9500

J, ainda que com pouca ocorrência.

Esse padrão de ondas com sua respectiva distribuição de energia viajam em

direção à costa. Embora ocorra uma perda de energia de aproximadamente 5 a 10%

durante a aproximação das ondas à costa (principalmente devido ao atrito com o fundo),

do ponto de vista da engenharia, é mais viável instalar estruturas conversoras de energia

das ondas em águas rasas, principalmente em função do menor custo de instalação e

manutenção, redução na perda do transporte e resistência à grandes ondulações

(OSTRITZ, 2012).

O fluxo médio de energia relaciona-se com a celeridade de grupo, uma vez que

superfície do oceano pode ser interpretada como o resultado da soma de várias

componentes senoidais de diferentes amplitudes, períodos e direções com fases

aleatórias. As deformações das ondas ao se propagarem em águas rasas provocam

modificações na celeridade ocorrem devido à configuração da batimetria, correntes e o

vento. Em regiões costeiras as características não lineares das ondas se tornam mais

importantes, induzindo padrões mais complexos e com maior variabilidade temporal e

espacial, em comparação com sua evolução em águas profundas (CARVALHO, 2002;

VIOLANTE – CARVALHO et. al., 2010).

Com objetivo analisar as variações de energia e potência resultantes da

transformação das ondas, foram calculados os comprimentos de onda (L), na

profundidade do local de coleta de dados (z) e o valor de profundidade de fechamento

interna (di). Os valores médios de altura significativa e período significativo anual e

sazonal foram utilizados na estimativa do comprimento de onda conforme a Eq. 12:

(12)


A profundidade de fechamento interna foi calculada por (HOEFEL, 1998, p. 23):

(13)

Onde é a altura de onda significativa local (nas adjacências da

arrebentação) que é excedida 12 horas por ano, é o período significativo associado à

. O valor de pode ser conseguido através da Eq. 14:

(14)

Onde é o desvio padrão anual de onda significativa. Os valores anual e

sazonais são mostrados na Tabela 3.

Tabela 3 – Classificação das ondas.

Anual Primavera Verão Outono Inverno

L (m) z (m) di (m)

91,7 17 4,8

68,6 17 4,4

80,7 17 4,9

95,8 17 4,4

96,3 17 5,2

A profundidade de fechamento interna limita a região na qual são notados os

efeitos da interação do fundo com as ondas sobre o transporte de sedimentos. De tal

forma, analisando os resultados das profundidades de fechamento interna (Tabela 3),

percebe-se que a onda começa a ter sua forma alterada a aproximadamente cinco metros

de profundidade. Deste modo, como a plataforma de pesca está localizada a 4 m de

profundidade, as ondas estão em transição de águas rasas para a zona de arrebentação,

nessa transição, as ondas tendem a aumentar sua altura. O ganho de altura pode implicar

em ganho de potência.

A Tabela 4 indica a potência sazonal e anual para cada classificação das

águas, de acordo com a sua profundidade. A perda de potência observada de águas

profundas para intermediárias é ocasionada pela perda de energia devido ao contato da

onda com o fundo, em que ocorre uma desaceleração das ondas. Conforme as ondas se

aproximam da costa, elas sofrem influência do atrito ocasionado pelo fundo oceânico, o

que resulta em um incremento de altura. Esse incremento de altura proporciona um

considerável aumento nos valores de potência para águas rasas, como mostrado na

Tabela 4.

Tabela 4 – Potência sazonal e anual de acordo com as profundidades.

Potência (kW/m)


Primavera Verão Outono Inverno Anual

Rasas 12,3 15,2 11,2 16,2 13,2

Intermediárias 2,4 3,0 2,2 3,2 2,6 Profundas 4,9 6,9 5,6 8,2 6,4

Na mudança de águas profundas para intermediárias, há uma perda de 59% na

potência e das intermediárias para rasas, há um ganho de 80%. Visto que a plataforma de

pesca está localizada a quatro metros de profundidade, enquadrando-se em águas rasas,

indica que haverá maior aproveitamento da conversão de energia das ondas em energia

elétrica, sendo propicia a instalação de um modelo conversor de ondas na estrutura física

da mesma.

Foi possível comparar valores médios de período e altura significativa das

ondas incidentes em Porto de Pecém com os valores médios de período e altura

significativa das ondas de Balneário Arroio do Silva. A Tabela 5 indica os valores médios

para as duas localidades, bem como a potência anual média calculada.

Tabela 5 – Comparação de parâmetros de onda anuais entre Porto do Pecém e B. Arroio do Silva.

Local Hs (m) Ts (s) P média (kW/m)

Porto de Pecém 1,5 7,5 7,7

B. Arroio do Silva 1,2 7,7 6,4

De acordo com Beserra (2007), as alturas significativas, períodos significativos

e potências médias são relativas a águas profundas, devido à localização do quebra-mar,

onde foi instalada a usina conversora de ondas. O valor calculado da potência média

anual de Balneário Arroio do Silva para águas profundas (Eq. 9) corresponde a 83% da

potência média obtida para o Porto de Pecém. Com isso, verifica-se que seria

interessante investir na implantação de um protótipo conversor de energia das ondas em

energia elétrica. Assim, torna-se importante realizar um estudo de viabilidade econômica

acerca da implantação da estrutura conversora de ondas mencionada.

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Os dados disponíveis apresentam descontinuidade dos registros nos meses de fevereiro e julho, não sendo possível

determinar qual a contribuição desses meses para o padrão de ondas. Esse fator implica em um erro associado aos

valores médios dos parâmetros utilizados no cálculo de potência das ondas, o que não é desejado. Apesar da

defasagem na coleta de dados foi possível estimar aproximadamente os valores de potência por estação do ano. Foi

constatado que o período mais energético é o inverno sendo a maior potência encontrada de 3,2 kW. Como a

plataforma se encontra na zona de transição entre águas rasas e zona de arrebentação, devido à interação das ondas

com o fundo oceânico as alturas significativas serão maiores, e um incremento na altura de ondas aumentará a potência

(80%), o que torna a plataforma de pesca um local atraente para instalação de uma usina conversora de ondas. Porém,

um ponto importante é conseguir viabilizar a coleta de dados de onda na região de Balneário Arroio do Silva, para que


se possa garantir uma maior confiabilidade dos dados de altura significativa, período e por consequência, a potência de

ondas oceânicas.

AGRADECIMENTOS

Este trabalho não teria sido possível sem a colaboração do Professor Elírio E. Toldo Júnior, o qual cedeu gentilmente os

dados de onda utilizados. Agradecimentos também ao CNPq/PIBIC/UFSC que fomentou a bolsa de iniciação científica,

a Plataforma de Pesca Entremares e a Prefeitura Municipal de Balneário Arroio do Silva.


REFERÊNCIAS

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estimativa do potencial para geração de energia elétrica em uma

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