faculdade de engenharia da universidade do porto mestrado...
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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Ano letivo: 2014/2015
1º Semestre
Projeto FEUP
O Papel da Engenharia Mecânica nas Energias Renováveis
Energia dos mares e oceanos
Docente: Teresa Duarte Monitora: Rita Afonso Turma: 1M01 Equipa: 1M01_04 Ana Filipa Teixeira Salgueirinho João Miguel Roso Miravall Leonardo Miguel Barros Teixeira Pedro Carinhas Marques Vasconcelos Vasco Filipe Ferreira Loreiro
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Resumo
Este trabalho foi proposto no âmbito do Projeto FEUP, uma unidade curricular contida no
plano de estudos de vários cursos e cujos objetivos principais são ajudar na integração dos novos
estudantes, dar a conhecer os serviços disponíveis na FEUP e procurar desenvolver capacidades
individuais e de equipa de extrema importância ao longo da carreira individual de cada um, tais
como capacidade de comunicação, resolução de problemas, adaptação à mudança, trabalho em
equipa, entre outras, tendo como tema principal “O papel da Engenharia Mecânica nas energias
renováveis”. A partir deste tema geral, foi dada, a cada um dos diferentes grupos, liberdade para
escolher um subtema. O tema do presente trabalho foi escolhido de forma unânime dentro do
grupo tendo em conta o papel fulcral que a Engenharia Mecânica desempenha tanto no
desenvolvimento de equipamentos, como na forma de transporte, instalação e produção assim
como forma de divulgar este tipo de produção de energia, menos comum mas com imensas
potencialidades. Assim, este relatório refere-se ao aproveitamento da energia dos mares e
oceanos, fonte de energia com enorme importância e cada vez mais utilizada.
Neste relatório são apresentados os diferentes fenómenos que ocorrem nos mares e
oceanos e que proporcionam o aproveitamento de energia, bem como as tecnologias
desenvolvidas para esse efeito. O primeiro fenómeno abordado é o das marés, subida e descida do
nível da superfície do mar, que ocorre devido à força gravitacional existente entre a Terra, a Lua e
o Sol, e à força centrífuga gerada pelos movimentos de rotação da Terra e da Lua. O segundo
fenómeno diz respeito às ondas formadas na água do oceano por ação dos ventos. Uma terceira
forma de aproveitar a energia do oceano é através das diferenças de temperatura que se verificam
a diferentes profundidades e que, em alguns locais do planeta, atingem amplitudes assinaláveis.
São ainda abordados os custos, vantagens e desvantagens, bem como apresentados alguns
exemplos de projetos e instalações.
Palavras-chave:
Engenharia mecânica; Energia; Energias Renováveis; Energia do mar; Marés; Ondas; Temperatura.
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Agradecimentos
O grupo gostaria de agradecer às duas pessoas que, desde o primeiro dia, em muito
contribuíram para a elaboração deste projeto.
À nossa monitora, Rita Afonso, que sempre se dispôs a ajudar na escolha dos conteúdos e
a propor alterações.
E à Professora Teresa Duarte por nos ter transmitido todos os conhecimentos, sem os
quais este trabalho não teria sido possível, e pela sua disponibilidade.
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Índice
1. Introdução 2. Conceitos de energia
2.1. Energia 2.2. Energias Renováveis
3. A energia das marés
3.1. Fenómeno das marés 3.2. Energia potencial e energia cinética 3.3. Diferentes tipos de extração de energia de marés
3.3.1. Barragens de marés 3.3.2. Barragens de marés de bacia única 3.3.3. Barragens de marés de bacia dupla
4. Energia das ondas
4.1. Sistemas Onshore 4.2. Sistemas Offshore
5. Energia produzida pela diferença de temperatura da água do mar 6. Vantagens, desvantagens e custos
6.1. Vantagens da energia das ondas e das marés 6.2. Desvantagens de energia das ondas e das marés 6.3. Custos
7. Utilização a nível mundial e em Portugal
7.1. A nível nacional (Portugal) 7.2. A nível mundial
8. Conclusão 9. Referências Bibliográficas 10. Referências de Figuras
Pág.
5
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Índice de Figuras
Pág.
Figura [1] - Campo de geradores eólicos 6
Figura [2] – Formação de marés 7
Figura [3] - Funcionamento da barragem de bacia única com geração for fluxo 9
Figura [4] - Barragem de bacia dupla 10
Figura [5] - Sistema de Coluna de Água Oscilante 12
Figura [6] - Central de Ondas do Pico 12
Figura [7] - Funcionamento de Pelamis 14
Figura [8] – Pelamis 15
Figura [9] – Wave Dragon 16
Figura [10] - Funcionamento do OTEC 17
Figura [11] – Desvantagens das turbinas 18
Figura [12] – Pelamis - Póvoa do Varzim 19
Figura [13] – Central de La Rance, França 21
5
1. Introdução
A energia é um dos bens mais importantes ao dispor da Humanidade. Desde a Revolução
Industrial, o desenvolvimento tecnológico tem vindo a implicar o esgotamento das fontes
tradicionais de energia. Acresce a este facto o crescimento exponencial da população mundial com
todas as exigências que daí advêm.
Durante muito tempo toda a energia provinha de combustíveis fósseis que, para além de
serem uma grande fonte de poluição, são esgotáveis. Por essa razão, foi necessário procurar
formas alternativas para obter energia. Assim, ao longo das últimas décadas têm vindo a
desenvolver-se novas formas de obter energia a partir de fontes renováveis, como o sol, o vento e
a água. É nesta procura pela inovação que os engenheiros mecânicos surgem como profissionais
que podem ter um papel chave neste processo.
Os oceanos, que cobrem cerca de 71% da superfície terreste, são uma grande fonte de
energia que pode ser obtida de diversas formas. Neste trabalho são explicados e descritos
processos de extração de energia da água do mar.
6
2. Conceitos de energia
2.1. Energia
A energia é algo que necessitamos para sobreviver e que não se pode definir. Está, de
certa forma, presente em tudo o que existe, sobre as mais diferentes formas: energia química,
potencial, cinética, da radiação, entre outras. Tudo o que envolva interações entre corpos envolve
energia [1.1].
A energia pode adotar várias formas, porém, ela não se perde nem se cria, apenas se
transforma. Este princípio constitui a Lei da Conservação da Energia, lei que pode ser verificada
quando, por exemplo, um objeto cai: inicialmente possui energia potencial que, durante a queda,
se vai transformando em energia cinética.
A unidade do sistema internacional utilizada para expressar energia é o joule (J), mas
também são usadas outras unidades como quilowatt-hora (kWh) ou a caloria (cal).
Existem dois tipos fundamentais de energia: a energia cinética, que está associada ao
movimento de partícula, e a energia potencial, que se relaciona com a posição da partícula em
relação a um referencial.
A energia pode ser transferida de três formas: calor, trabalho e radiação [1].
2.2. Energias Renováveis
O termo energia renovável não é o mais
correto de se utilizar, pois não é a energia que é
renovável mas sim a sua fonte.
Uma fonte renovável é aquela que se
renova constantemente, ou seja, não se consegue
estabelecer um fim para a sua utilização [Figura 1].
As fontes de energia deste tipo são muito
vantajosas, uma vez que ao serem naturais não
são poluentes. Porém, a sua instalação tem
elevados custos, daí não serem muito utilizadas.[2]
Figura 1- Campo de geradores eólicos [I.1]
7
3. A energia das marés
3.1. Fenómeno das marés
A energia das marés é a energia associada aos movimentos da superfície da água no mar,
resultantes das interações gravitacionais entre a Terra, a Lua e o Sol. A maré consiste numa subida
e descida regular da superfície do oceano, fenómeno este que se deve por um lado, à força
gravitacional gerada entre o Sol e a Lua e a Terra e, por outro, à força centrífuga produzida pelas
rotações da Terra e da Lua. A força gravitacional da Lua é 2,2 vezes superior à do Sol sobre a Terra.
[3]
O fenómeno de maré ocorre duas vezes a cada 24 horas, 50 minutos e 28 segundos. Uma
protuberância da água é criada pela atração da Lua, que é maior do lado da Terra que lhe está
mais próximo. Paralelamente, a rotação do sistema Terra-Lua, produzindo uma força centrífuga,
causa outra protuberância do lado da Terra mais distante da Lua, como ilustrado na Figura 2.
Quando uma massa de terra alinha com
este sistema Terra-Lua, a água em redor
da massa de terra forma a maré alta. Em
contrapartida, quando a massa de terra
se encontra a 90° relativamente ao
sistema Terra-Lua, a água em seu redor
forma a maré baixa. Deste modo, cada
massa de terra é exposta a duas marés
altas e duas marés baixas durante cada
período de rotação da terra. A hora das
marés, em cada ponto da terra, vai
variando, ocorrendo aproximadamente 50
minutos mais tarde a cada dia que passa, o
que se deve à rotação da Lua. [3]
Figura 2-Formação de marés [I.2]
8
A Lua demora 29,5 dias a percorrer a sua órbita à volta da Terra, o que é conhecido como
ciclo lunar. As marés variam entre marés vivas e marés mortas. As marés vivas ocorrem quando o
Sol e a Lua se alinham com a Terra, exercendo atração do mesmo lado ou de lados opostos,
resultando em marés vivas muito fortes. As marés mortas ocorrem quando o Sol e a Lua formam
90° entre si, originando fracas marés mortas. [3]
As correntes de marés acontecem em zonas costeiras e em locais onde o fundo do mar
força a água a fluir através de canais. Estas correntes fluem em duas direções: a corrente que se
move em direção à costa é conhecida como a corrente de cheia e a corrente que se afasta da costa
é a corrente de vazamento. A velocidade da corrente em ambas as direções varia entre zero e um
valor máximo. A corrente com velocidade zero é relativa ao período de folga, que ocorre entre a
cheia e o vazamento. A velocidade máxima de corrente ocorre a meio, entre os períodos de folga.
Estas variações de marés, subidas e descidas, podem ser utilizadas para gerar eletricidade. [3]
3.2. Energia potencial e energia cinética
A energia das marés integra duas componentes: a potencial e a cinética. Procurando
rentabilizar estas duas formas de energia, as instalações de aproveitamento da energia de marés
podem ser categorizadas em dois tipos principais: as barragens de marés, que fazem o
aproveitamento da energia potencial, através da construção de diques ou reservatórios e as
turbinas de correntes de marés, que recuperam a energia cinética associada às massas de água
movidas pelas correntes. [3]
3.3. Diferentes tipos de extração de energia das marés
3.3.1. Barragens de marés
A geração de energia a partir de uma barragem de marés usa os mesmos princípios da
geração de energia hidroelétrica, com exceção de que neste caso as correntes de maré fluem em
ambas as direções. Uma barragem de marés típica inclui turbinas, comportas, taludes e eclusas. As
turbinas que são usadas numa barragem de marés são unidirecionais ou bidirecionais, e integram
turbinas de bulbo, turbinas de aro e turbinas tubulares. As barragens de marés podem ser
divididas em dois tipos: sistema de bacia única e sistema de bacia dupla. [3]
9
3.3.2. Barragens de marés de bacia única
Este sistema é constituído por uma bacia e requer uma barragem numa baía ou estuário.
Existem três métodos de operação para geração de energia numa bacia única:
a) Geração por fluxo – A bacia enche-se de água através das comportas durante a
enchente. Na maré cheia as comportas são fechadas, retendo a água. Neste ponto, pode ser
bombeada água extra para dentro da bacia em períodos de baixo consumo elétrico, tipicamente à
noite, quando a eletricidade é mais barata. As comportas da turbina são mantidas fechadas até
que a maré baixe o suficientemente para que se crie uma cabeça hidrostática substancial através
da barragem. Deixa-se a água fluir através das turbinas, gerando eletricidade durante várias horas
até que a cabeça hidrostática tenha diminuído até ao nível mínimo em que as turbinas funcionam
eficientemente [Figura 3].
b) Geração por cheia – Durante a subida da maré as comportas e as turbinas são
mantidas fechadas até que se desenvolva uma cabeça hidrostática. Uma vez que esta cabeça
hidrostática atinja dimensões suficientemente grandes, as comportas da turbina são abertas
permitindo que a água flua através delas até à bacia. A geração por cheia é um método de geração
de energia menos favorável devido aos efeitos económicos e ambientais. Estes efeitos são
causados pela descida média do nível do mar dentro da bacia.
c) Geração bidirecional – Este método de operação utiliza ambas as fases da maré,
subida e descida, para gerar eletricidade. As comportas e as turbinas são mantidas fechadas até
próximo do final do ciclo de subida. Após atingir este ponto, a água é deixada a fluir através das
turbinas, gerando eletricidade. Quando se atinge a cabeça hidrostática mínima necessária para
gerar eletricidade, as comportas são, então, abertas. Na maré alta, as comportas são fechadas e a
Figura 3-Funcionamento da barragem de bacia única com geração for fluxo [I.3]
10
água é retida atrás da barragem até que seja atingida novamente uma cabeça hidrostática
suficiente. A água é, então, deixada a fluir através das turbinas para gerar energia no modo de
fluxo. A principal vantagem da geração bidirecional é ter um período de não-geração reduzido e a
consequente redução do custo dos geradores devido à menor potência de pico. [3]
3.3.3. Barragens de marés de bacia dupla
Os sistemas de bacia dupla são, como o nome indica, constituídos por duas bacias. A bacia
principal é similar à do sistema de bacia única. A diferença entre um sistema de bacia dupla e o
sistema de bacia única é que a proporção de eletricidade gerada durante a fase de fluxo é usada
para bombear água para a segunda bacia, permitindo o armazenamento. Este sistema permite,
assim, ajustar a distribuição de energia à procura dos consumidores [Figura 4] [3].
A principal vantagem do sistema de bacia dupla relativamente aos sistemas de bacia única
é a capacidade de fornecer energia em períodos de elevada procura de energia. Não obstante, é
improvável que os sistemas de bacia dupla se tornem viáveis devido às ineficiências das turbinas
usadas. O custo elevado da construção dos sistemas de bacia dupla, por causa das dimensões da
barragem, pode restringir o desenvolvimento deste sistema. [3]
Figura 4 - Barragem de bacia dupla [I.4]
11
4. Energia das ondas
As ondas originadas pelo vento contêm uma grande quantidade de energia. A potência
numa onda é proporcional ao quadrado da amplitude e ao período da onda (𝑃 = 𝐴2 × 𝜆),
excedendo normalmente os 40 a 50 kW/m de onda.
A maior ocorrência de ondas está situada ente as latitudes de 30o e 60o em ambos
hemisférios. Na Europa, os locais com maior potência de ondas situam-se na Irlanda e na Escócia
(cerca de 75 kW/m).
Apesar de toda esta potência, o aproveitamento da energia das ondas tem tido um menor
desenvolvimento que as outras energias renováveis pelas seguintes razões:
Trata-se de um fenómeno sinusoidal, com irregularidade na amplitude e na
direção, dificultando a implementação dos mecanismos com bom aproveitamento;
Os mecanismos de aproveitamento estão expostos a condições ambientais
agrestes;
A necessidade de construção de modelos de grande tamanho para
experimentação, o que resulta em elevados investimentos e custos;
É uma área tecnológica ainda em fase de desenvolvimento, os custos da energia
produzida ainda estão muito longe de ser competitivos com outras fontes de energia, não sendo
ainda possível estabelecer um valor certo para a potência conseguida através dos mecanismos
implementados.
Sendo uma área tecnológica em desenvolvimento e em investigação, existe uma
diversidade de sistemas a serem testados. Estes podem ser diferenciados quanto à localização
relativa às zonas costeiras, ou seja, na costa/perto da costa (Onshore) ou fora da costa (Offshore).
As diferenças de potência das ondas nestas três zonas são enormes, mas a potência explorável é
semelhante, ainda que mais baixa junto à costa. [4] [5]
12
4.1. Sistemas Onshore
Os sistemas onshore estão normalmente localizados em águas pouco profundas, entre 8
metros (Shoreline) e 20 metros (Nearshore), apoiados diretamente na costa ou próximos desta
(possivelmente associados a obras de proteção costeira ou infraestruturas portuárias). [4] [5]
O Sistema de Coluna de Água
Oscilante (OWC) é o mais bem-sucedido deste
género [Figura 5]. Nele são utilizados outros
sistemas tais como Dispositivo de
Galgamento, Sistema Oscilante de Simetria
Axial, Conversores Oscilantes de Translação
das Ondas e Dispositivo Submerso de
Diferença de Pressão, e, para as águas mais
perto dos 20 m de profundidade, os
mecanismos de “Spill Over”, como o Power
Vessel e o Wave Plane. [6] [7]
Exemplo
A central da ilha do Pico (European Pilot Plant)
[Figura 6] (400 KW) é do tipo Coluna de Água Oscilante, tal
como a recente central na ilha de Islay-Escócia. A
tecnologia envolvida é relativamente convencional,
envolvendo uma peça de equipamento específica, uma
turbina de ar que aciona um gerador elétrico.
Esta referida central na ilha do Pico foi o primeiro
grande projeto gerido pelo Wave Energy Center (WavEC) e
foi denominado Demonstração CAO, um projeto nacional, que visava a recuperação da Central do
Pico, nos Açores. Com equipamento e mão-de-obra nacionais, foram canalizados todos os esforços
necessários para recuperar a Central de Ondas em território português, mostrando assim a
viabilidade desta tecnologia. [6] [7] [8]
O projeto terminou com sucesso no final de 2006. No ano seguinte, a Central de Ondas, no
Porto Cachorro, passou a ser propriedade do WavEC, após um período de dois anos da sua gestão.
[8]
Figura 5 - Sistema de Coluna de Água Oscilante [I.5]
Figura 6 - Central de Ondas do Pico [I.6]
13
Com financiamento e meio humanos próprios e contando com o apoio de várias entidades
tais como a EDP, a Efacec, o Instituto Superior Técnico, o Laboratório Nacional de Energia e
Geologia, e a empresa Kymaner, o WavEC prosseguiu em 2007 os trabalhos de manutenção e
monitorização da Central. Os resultados obtidos constituem dados importantes no estudo desta
tecnologia (Coluna de Água Oscilante) e sua adaptação noutros dispositivos, tanto costeiros como
ao largo. [8]
As fases distintas deste projeto:
O desenvolvimento do projeto prosseguiu em fases distintas. A primeira foi de renovação
da central do Pico entre outubro de 2003 e setembro de 2005 com a recuperação de componentes
mecânicos e re-conexão do gerador. O equipamento elétrico e de controlo foi removido do
interior da central para dois contentores a cerca de 100 metros da central, por razões de
segurança. Foi ainda instalada uma válvula de alívio para reduzir a pressão no interior da câmara
em estados de mar agitado.
Uma segunda fase de operações na central foi composta por teste com o equipamento
existente – entre setembro de 2005 e maio de 2006 – com a realização dos primeiros ensaios.
Verificou-se, durante os testes, a ocorrência de vibrações excessivas no apoio da turbina, por volta
das 1200 rpm. Um incidente com o estator (parte do gerador elétrico que tem por função
transformar a energia cinética do induzido) suspendeu o desenvolvimento destes testes.
Os testes com os novos estatores marcaram o início de uma nova fase de operações na
central no período entre maio e outubro de 2006, que corresponde ao último mês do projeto. [8]
4.2. Sistemas Offshore
Já os sistemas em águas profundas (offshore), situados normalmente em profundidades de
25-50m, são por vezes designados sistemas de segunda geração. Têm sido estudados dispositivos
muito variados, sem que se tenha destacado um como o mais vantajoso e promissor. [4] [5]
Em geral o órgão principal é um corpo oscilante flutuante ou, mais raramente, totalmente
submerso. O sistema de extração de energia pode ainda utilizar turbinas de ar, ou equipamentos
mais sofisticados (sistemas óleo-hidráulicos, motores elétricos lineares, etc.).
14
Exemplo 1
O projeto AWS (2MW) (Archimedes Wave Swing), com tecnologia essencialmente
holandesa, ainda que tenha sido sediado na Escócia, por questões de extensão e oportunidades no
mercado, é um dos raros que atingiram a fase de construção de protótipo. Este foi testado pela
primeira vez em Portugal, em 2004, teste que proveu a empresa com informação empírica muito
importante e experiência essencial para o desenvolvimento dos conceitos tecnológicos envolvidos.
Os modelos teóricos do AWS estão verificados e o princípio operador da tecnologia está
demonstrado. Não existe, no entanto, consenso sobre o vetor para implementar o dispositivo no
mar, se instalado num pontão, se livre, entre outros, pois o protótipo foi montado num pontão e
daí resultaram problemas, o que resultou no abandono desta possibilidade. Consiste num pistão
submerso cheio de ar, que, por expansão e contração em resposta à variação de coluna de água
existente sobre ele em cada momento, oscila em ressonância com o período das ondas, causando
um movimento que aciona um gerador linear, transferindo eletricidade para a rede.
Possui caraterísticas muito vantajosas por ser um sistema submerso e pela forma única de
conseguir energia, tais como a durabilidade e o baixo desgaste, por não estar em contacto com
tempestades e fenómenos atmosféricos diretos, a manutenção reduzida que pode ser feita na
estação providencia grande segurança e fiabilidade, o impacto ambiental reduzido e a grande
produção de energia por tonelada de
aço, que garante competitividade
económica. [9] [10] [11] [12].
Exemplo 2
Outro exemplo de sistema
offshore em fase avançada é o Pelamis,
dispositivo semi-submerso de conversão
de energia de ondas do tipo progressivo,
desenvolvido pela Ocean Power Delivery
(Escócia), empresa fundada em 1998 com
o intuito de o desenvolver e explorar
comercialmente.
Figura 7-Funcionamento de Pelamis [I.7]
15
Os dispositivos progressivos são sistemas alongados 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 bombeamento progressivo, associado à passagem da
onda, por ação de um elemento flexível em contacto com a água [Figura 7]. O Pelamis consiste
basicamente numa estrutura articulada semi-submersa composta por diferentes módulos
cilíndricos que se encontram unidos por juntas flexíveis.
O movimento ondulatório das ondas incidentes provoca a oscilação dos módulos
cilíndricos em torno das juntas que os unem e dessa forma a pressurização de óleo que será
forçado a passar por motores hidráulicos, que por sua vez acionam geradores elétricos, que
produzem eletricidade.
Cada dispositivo contará com quatro
tubos circulares [Figura 8] e três módulos de
conversão de energia, esquematizados na
figura acima, perfazendo uma capacidade
unitária do dispositivo igual a 750 kW, sendo
o seu comprimento à escala 1:1 de 150 m e
o diâmetro externo igual a 3.5 m.
O programa de testes do Pelamis incluiu ensaios laboratoriais com diversos modelos (cujas
escalas oscilaram entre 1:80 e 1:7). Em 23 de Fevereiro de 2004 foi anunciado que seria iniciado o
ensaio de um dispositivo à escala real, ao largo da Escócia, bem-sucedido. O sucesso deste ensaio
levou a implementação de 3 conversores Pelamis (2.25 MW) na costa de Aguçadoura, Póvoa do
Varzim, iniciativa fundada pela empresa Enersis, formando-se a primeira “quinta de ondas” do
mundo.
Algumas variáveis importantes na conceção do Pelamis foram por um lado a tentativa de
utilização de componentes já existentes na indústria offshore, pois foi do entendimento da
empresa que uma vez que ficasse claro que o dispositivo é viável essa mesma indústria iria
produzir componentes mais eficientes e a um custo extraordinariamente mais reduzido do que o
atual, e por outro lado a sobrevivência do dispositivo, que foi identificada como parâmetro fulcral
em todo o processo de desenvolvimento, prioritário até sobre as tentativas para melhorar a
Figura 8-Pelamis [I.8]
16
eficiência de conversão de energia. Um dos componentes importantes do Pelamis é o seu sistema
de fixação ao fundo do mar, que dadas as características do dispositivo, assume uma relevância
fundamental. Um parque de 40 dispositivos (30 MW instalados), ocupando uma área de 1 km2,
poderia ser responsável pelo abastecimento de 20.000 habitações, de acordo com os dados
fornecidos pela OPD.
O protótipo Pelamis foi o primeiro conversor de energia das ondas de escala comercial a
gerar eletricidade para uma rede energética nacional a partir de ondas offshore. [13] [14]
Existem outros sistemas ainda em fase de estudo como o McCabe Wave Pump, o Floting
Wave Power Vessel, o Wave Dragon [Figura 9], o
Salter Duck, entre outros. [4]
Esta quantidade de diferentes tipos de
sistemas em estudo põe em evidência o estado
atual dos sistemas de aproveitamento deste tipo
de energia, onde ainda se está a estudar qual ou
quais serão os sistemas mais eficientes e fiáveis
para a produção de energia elétrica pela
conversão da energia das ondas.
Uma boa eficiência de extração de energia
está associada condições de ressonância com as ondas, o que tem implicações sobre as dimensões
máximas dos sistemas. Daqui resulta, na prática, que os sistemas (tal como na energia eólica)
deverão ser modulares, com potências por unidade que não excedendo alguns megawatts, o que
aponta para o fabrico em série.
Qualquer que seja a tecnologia utilizada, a variabilidade da potência produzida está
dependente da variabilidade do próprio recurso energético (como o estado do mar). As flutuações
associadas à escala de tempo do período da onda (cerca de 10 segundos) podem ser mais ou
menos bem filtradas, conforme o sistema e a sua capacidade de armazenamento de energia (por
exemplo num volante de inércia).
O impacto ambiental é variável conforme o tipo de sistema e, especialmente, a sua
localização. Para os sistemas na costa o impacto é essencialmente visual. O principal impacto dos
sistemas offshore está associado a interferências com a navegação e pesca.
Figura 9-Wave Dragon [I.9]
17
Nas explorações offshore em grande escala, é de prever alteração (embora provavelmente
não muito significativa) do regime de agitação marítima que atinge a costa, com a consequente
modificação do transporte de sedimentos. O impacto na vida marinha será, provavelmente, pouco
significativo.
Os sistemas de coluna de água oscilante, e outros utilizando turbina de ar, produzem
ruído, que no entanto pode ser atenuado (se necessário) recorrendo a técnicas convencionais.
Dum modo geral, a utilização da energia das ondas é uma tecnologia relativamente benigna do
ponto de vista ambiental.
Apesar destas dificuldades a energia das ondas prova ser uma das fontes de energia
renovável a ter em conta num futuro próximo. [4] [5]
5. Energia produzida pela diferença de temperatura da água do mar
Também é possível obter energia a partir da diferença de temperatura das águas. De
forma sintetizada, este processo de obtenção de energia consiste no seguinte:
Implementação de um
motor térmico que recolhe
a água quente da
superfície e bombeia água
fria para o fundo do mar.
O calor registado no
reservatório do motor
térmico, ao entrar em
contacto com a água fria
que sai do motor, vai
provocar a rotação das
turbinas do motor, gerando energia [Figura 10]. [15]
Este processo, conhecido como OTEC (Conversão de Energia Termal dos Oceanos), ainda se
encontra em fase embrionária, no entanto, já se estão a realizar experiências nas ilhas havaianas,
uma vez que há uma diferença abrupta de temperatura entre as diferentes profundidades do mar,
tornado estas ilhas geograficamente privilegiados para o efeito. [16]
Figura 10-Funcionamento do OTEC [I.10]
18
6. Vantagens, desvantagens e custos
6.1. Vantagens da energia das ondas e das marés
O aproveitamento do movimento ondular das ondas e da deslocação das marés para a
criação de energia tem evidentes vantagens. Primeiramente, as marés sobem e descem de forma
periódica e constante. A previsibilidade das mesmas faz com que seja raro haver imprevistos ou
erros quando se extrai a energia dos tais movimentos do mar.
Para além disso, as ondas e marés são uma fonte inesgotável de energia e não poluem. O
facto de ser uma energia que não polui é um ponto a favor em relação a algumas energias
renováveis [17], como é o exemplo da energia de biomassa, onde o método de combustão é feito
de forma não limpa. [18]
Outra vantagem deste tipo de fonte energética é o facto de esta ser a única possibilidade
de alguns países com um extensa costa obterem energia por conta própria, uma vez que a
obtenção de energia é algo que requer investimento e nem todos os países estão tecnicamente
desenvolvidos ou têm capital para fazê-lo. [19]
6.2. Desvantagens de energia das ondas e das marés
Embora alguns países beneficiam da sua localização junto ao mar, outros não têm acesso à
criação de energia por via marítima porque, para se obter energia
de tal forma, é necessária a existência de costa e de um certo
desnível entre o solo e o mar. [19]
Para além disso, a implementação de um sistema Pelamis
ou de turbinas, por exemplo, fica bastante caro em relação aos
sistemas hidroelétricos. A relação de custo/benefício da obtenção
de energia através das ondas e marés está muito abaixo dos
valores pretendidos pois o aproveitamento energético é baixo em
que relação ao que é gasto, não justificando um possível
investimento neste ramo por parte de alguns países
geograficamente privilegiados. [17]
Figura 11- Desvantagens das turbinas [I.11]
19
Outra desvantagem é o impacto ambiental que a implementação de certos sistemas pode
ter no mar, podendo afetar o ecossistema marítimo (Ex: um sistema de turbinas debaixo de água
pode danificar ou matar peixes que por lá passem) [Figura 11] [17].
6.3. Custos
Estima-se que seja possível produzir 10% da energia que é consumida a nível mundial
através da utilização das ondas e das marés. Em relação a Portugal, acredita-se que, devido à
localização privilegiada do país, seja possível produzir cerca de 20% da energia que é consumida a
nível nacional através deste tipo de fonte energética, sendo que grande parte da energia
produzida nacionalmente pode vir a ser exportada. Quanto ao mercado mundial e nacional para
este tipo de energia, estima-se que seja de 750 e 7 mil milhões de euros, respetivamente [20].
O custo por cada kW produzido através dos diversos sistemas implementados no mar varia
entre 2500 e 7000 euros. O custo da energia depende não só da localização, como também da
tecnologia que é utilizada [21].
7. Utilização a nível mundial e em Portugal
7.1. A nível nacional (Portugal)
Portugal tem uma vasta linha costeira assim como uma das maiores zonas económicas
exclusivas do mundo, sendo, por isso, um país com condições excecionais para experimentação e
aplicação de aparelhos que permitam transformar a energia dos oceanos em energia elétrica. Por
estes motivos, existem vários projetos em marcha
para iniciar o desenvolvimento, a construção e a
aplicação efetiva de equipamentos. Alguns desses
projetos foram atrás explicados, quando se
abordou o tema da energia das ondas. Apresenta-
se em seguida uma síntese dos principais projetos
em desenvolvimento e/ou funcionamento em
Portugal.
Figura 12-Pelamis, Póvoa do Varzim [I.12]
20
Na Póvoa de Varzim, num local sensivelmente a cinco quilómetros da costa, foi testado,
em 2004, um protótipo de um equipamento (da AWS) destinado a realizar a conversão da energia
das ondas. Mais tarde, no mesmo local, foram instalados três equipamentos Pelamis [Figura 12]
[22] [23].
Na Ilha do Pico, nos Açores, existe uma central de transformação situada na costa,
construída nos anos 90, altura em que foi um dos projetos pioneiros a nível europeu no que toca a
este tipo de sistema de produção de energia. Este local, anteriormente utilizado para investigação
pelo Centro de Energia das Ondas é atualmente utilizado pela EDP para produção de energia
elétrica para a rede elétrica nacional cuja potência é de 40 kW. [24] [25]
Existe um projeto para instalar numa zona piloto, a norte de São Pedro de Moel e em
conjunto com a Secretaria de Estado da Energia dos EUA, equipamento experimental com uma
potência total de 250 megawatts (MW), para estimular o desenvolvimento e o crescimento desta
indústria a nível nacional. [26]
Em Peniche, no âmbito do projeto SURGE (Simple Underwater Renewable Generation of
Electricity), foram testados equipamentos subaquáticos chamados WaveRoller durante três anos e
foram utilizados para a produção de eletricidade para a rede durante um ano. [27]
A Eneólica, empresa dedicada à promoção de projetos de energias renováveis do Grupo
Lena, oficializou a parceria com a AW-Energy, empresa finlandesa que está a desenvolver uma
tecnologia exclusiva e patenteada de energia das ondas, sob a marca de WaveRoller.
O contrato entre a AW-Energy e a UE é o primeiro sob os chamados CALL FP7 –
Demonstration of the Innovative Full Size Systems.
7.2. A nível mundial
Por todo o mundo, vários países têm vindo a contribuir para o desenvolvimento da
tecnologia de transformação de energia das ondas e marés em energia elétrica através de
pesquisa, desenvolvimento e teste de equipamentos inovadores, novas formas de transportar e
armazenar a energia transformada de forma conseguir uma maior eficiência.
França, Canadá, China, Japão, Inglaterra, Finlândia, Noruega, Portugal são alguns dos
países que assumiram um papel ativo no que toca a este tipo de energia.
Existem vários consórcios que envolvem empresas de vários países europeus, sendo um
dos mais relevantes o consórcio liderado pela AW-Energy, que envolve empresas finlandesas,
alemãs, belgas e portuguesas e tem por objetivo testar, fabricar, distribuir e instalar o WaveRoller
21
em águas portuguesas, nomeadamente, aumentar a potência do local de instalação em Peniche,
no âmbito do projeto SWELL, que também irá ter um impacto positivo na zona centro de Portugal
uma vez que envolve empresas locais. Para tudo isto, o consórcio conta também com o apoio da
União Europeia.
França foi palco do primeiro grande
projeto neste setor, tendo sido construída no
rio Rance, particularmente propício devido às
particularidades do desnível da maré (com
uma média do desnível anual é de 8,4
metros), uma barragem cuja potência total é
de 240 MW [Figura 13]. Também a baía de
Fundy, no Canadá, com um desnível de
aproximadamente 16 metros, é um local
excecional para a aplicação de sistemas de
transformação de energia, pelo que estão a
ser desenvolvidos vários projetos para construção de sistemas em vários locais ao longo da baía.
[29]
Nas Ilhas Orkney, na Escócia, foram criadas instalações (European Marine Energy Centre)
para testar equipamentos como o WaveRoller e Pelamis, de modo a poder atingir-se uma maior
eficiência e, por conseguinte, uma maior competitividade de preços, levando, por fim, à aplicação
em grande escala destes sistemas. [30]
Figura 13- Central de La Rance, França [I.13]
22
8. Conclusão
Os sistemas apresentados neste trabalho põem em evidência o estado atual dos sistemas
de aproveitamento da energia com origem nos oceanos. Como se depreende da exposição, muitas
das tecnologias apresentadas ainda estão em fase de estudo ou desenvolvimento. É aqui que o
engenheiro mecânico tem um papel fundamental uma vez que possui uma grande variedade de
conhecimentos e competências que permitem um desenvolvimento mais consciente a vários
níveis (social, económico, ambiental, mecânico, energético) assim como uma investigação e
produção mais sustentáveis e rentáveis, ajudando na obtenção de um equipamento vantajoso,
com bom rendimento e com uma relação custo/benefício positiva e com a capacidade de marcar a
diferença na forma como se entende a produção de energia. Percebe-se também que os elevados
custos associados à instalação e exploração destas tecnologias continuam a ser o principal
obstáculo a que esta seja uma opção prioritária. Não obstante, a crescente procura energética a
nível mundial implicará cada vez mais o recurso a meios alternativos de obtenção de energia.
A localização geográfica de Portugal faz com que o nosso País seja um candidato
privilegiado à implantação de sistemas de aproveitamento de energia do oceano. Como se viu, já
existem diversos sistemas em desenvolvimento. A grande dependência energética de Portugal
poderá ser também um fator motivador para uma aposta cada vez mais forte nestas opções
tecnológicas.
O trabalho desenvolvido na unidade curricular Projeto FEUP, para além de ter permitido
uma melhor compreensão dos conceitos e mecanismos expostos neste relatório, teve uma maior
importância para todos os membros do grupo, na medida em que nos permitiu uma melhor
integração na Faculdade, o desenvolvimento das capacidades de trabalho em grupo e de
competências que nos vão permitir ao longo do nosso percurso académico fazer outros trabalhos.
23
Referências Bibliográficas
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http://www.infopedia.pt/apoio/artigos/13183800?termo=energia
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estudantes/energia/o-que-e-energia/Paginas/default.aspx
[2] Energias Renováveis. Acedido a 7 de outubro de 2014.
http://www.ageneal.pt/content01.asp?BTreeID=00/01&treeID=00/01&newsID=8#topo
[3] Boyle, Fergal; O Rourke, Fergal; Reynolds, Anthony. 2010. Tidal energy update 2009.
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[5] Portal Energia, Energias Renováveis. Acedido a 7 de outubro de 2014.
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[6] Wikipedia. 2014. “Oscillating Water Column”. Acedido a 8 de outubro de 2014.
http://en.wikipedia.org/wiki/Oscillating_Water_Column
[7] Wave Energy Center, Pico Power Plant. Acedido a 8 de outubro de 2014. www.pico-
owc.net
[8] Wave Energy Center, Coluna de água oscilante Pico. Acedido a 8 de outubro de 2014.
http://www.wavec.org/projectos/arquivo/coluna_de_agua_oscilante_(cao)_pico/#.VDKWnfm-
2Fw
[9] Pedro Silva, Tiago Costa, Miguel Paes. 2010. Faculdade de Ciências e Tecnologias da
Universidade Nova de Lisboa, Energia das Ondas. Acedido a 8 de outubro de 2014 -
https://sites.google.com/site/energiadasondas/Tecnologia-Onshore-e-Nearshore
[10] Luc Hamilton. 2006. AWS Ocean Energy Ltd, AWS MK II Deployment, monitoring and
evaluation of a prototype advanced wave energy device. Acedido a 9 de outubro de 2014.
http://ec.europa.eu/research/energy/pdf/gp/gp_events/ocean_energy/1200_aws-mkii_en.pdf
[11] Fred Gardener. Teamwork Technology, Archimedes Wave Swing. Acedido a 9 de
outubro de 2014. http://www.teamwork.nl/en/portfolio/project/archimedes-wave-swing
[12] AWS Ocean Energy, Technology. Acedido a 9 de outubro de 2014.
http://www.awsocean.com/technology.aspx
24
[13] Pelamis Wave Power. Acedido a 9 de outubro de 2014.
http://www.pelamiswave.com/
[14] Pelamis, Uma Nova Alternativa. Acedido a 9 de outubro de 2014.
http://umanovaalternativa.com.sapo.pt/pelamis.html
[15] Redação EcoD. 2010. Diferença de temperaturas em marés havaianas. Acedido a 7 de
outubro de 2014. http://www.ecodesenvolvimento.org/noticias/diferenca-de-temperatura-em-
mares-havaianos-pode
[16] A energia térmica dos oceanos. Acedido a 7 de outubro de 2014.
http://www.abcdaenergia.com/enervivas/cap08.htm
[17] Vantagens e desvantagens da energia das marés. Acedido a 3 de outubro de 2014
http://www.suapesquisa.com/energia/energia_mares.htm
[18] Desvantagens das energias renováveis. Acedido a 3 de outubro de 2014
http://www.portal-energia.com/vantagens-e-desvantagens-das-energias-renovaveis/
[19] Energia das marés: Maremotriz. Acedido a 3 de outubro.
http://engdofuturo.com.br/energia-das-mares-maremotriz/
[20] Instituto Superior Técnico. 2005. Energia das ondas e das marés – Estado de
desenvolvimento e perspetivas. Acedido a 4 de outubro.
http://www.ordemengenheiros.pt/fotos/dossier_artigo/9bfa0c390161d0908f8d10377ecdf301.pdf
[21] O portal da construção. 2011. Construção e energias renováveis – Tecnologia. Acedido
a 4 de outubro. http://www.oportaldaconstrucao.com/xfiles/guiastecnicos/energias-renovaveis-
vol-4.pdf
[22] Mário Cameira. 2008. “Energia das ondas em Portugal”. Acedido a 5 de outubro de
2014. http://static.publico.pt/homepage/infografia/ambiente/pelamis/
[23] André Sampaio, Jorge Portela, Manuel Gomes, Rui Pedro. “Energias Renováveis –
Energia das Ondas”. Acedido a 6 de outubro de 2014.
http://energiasalternativas.webnode.com.pt/energia-das-ondas/
[24] APREN. 2014. Acedido a 5 de outubro de 2014. http://www.apren.pt/pt/energias-
renovaveis/ondas-e-mares/
[25] Energia ondas e marés. Acedido em 3 de outubro de 2014. http://www.portal-
energia.com/ondas-e-mares/#ixzz3FLeVdhfO
[26] Acedido a 5 de outubro de 2014. http://www.portal-energia.com/portugal-e-eua-vao-
cooperar-na-area-das-ondas/#ixzz3FLeoJKWe
25
[27] Projeto Surge. Acedido a 7 de outubro de 2014. http://fp7-
surge.com/?page=main&lang=pt
[28] Acedido em 5 de outubro de 2014. http://www.portal-energia.com/eneolica-
oficializa-parceria-para-producao-de-energia-das-ondas/#ixzz3FLfP5sp4
[29] Paulo H. Sant´Ana RA, Luiz R. Tuon. “USINAS MAREMOTRIZES (Geração de energia
elétrica)”. Acedido a 5 de outubro de 2014.
http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/mar/mar.html
[30] EMEC. Acedido em 8 de outubro de 2014. http://www.emec.org.uk/facilities/
26
Referências de Figuras
[I.1] - Figura [1] - Campo de geradores eólicos,
http://en.wikipedia.org/wiki/Renewable_energy
[I.2] - Figura [2] – Formação de marés, Boyle, Fergal; O Rourke, Fergal; Reynolds, Anthony.
2010. Tidal energy update 2009. Applied energy 87 (2010). p. 398-409
[I.3] - Figura [3] - Funcionamento da barragem de bacia única com geração for fluxo,
http://amdro.blogspot.pt/2013/04/mares-e-oceanos-iluminando-cidades.html
[I.4] - Figura [4] - Barragem de bacia dupla, http://www.silvaporto.com.br/blog/?p=80
[I.5] - Figura [5] - Sistema de Coluna de Água Oscilante,
http://www.rtp.pt/acores/index.php?article=7520&visual=3&tm=5&layout=10
[I.6] - Figura [6] - Central de Ondas do Pico,
http://www.efacec.pt/PresentationLayer/efacec_produto_01.aspx?idProduto=247&idioma=1
[I.7] - Figura [7] - Funcionamento de Pelamis,
http://mendocoastcurrent.files.wordpress.com/2009/10/wave_power_pelamis.gif
[I.8] - Figura [8] – Pelamis,
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4b/Pelamis_at_EMEC.jpg
[I.9] - Figura [9] – Wave Dragon,
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ce/WaveDragon.JPG
[I.10] - Figura [10] - Funcionamento do OTEC,
[I.11] - Figura [11] – Desvantagens das turbinas,
[I.12] - Figura [12] - Pelamis, Póvoa do Varzim,
http://hr.wikipedia.org/wiki/Zglobni_plutaju%C4%87i_prigu%C5%A1nik_Pelamis
[I.13] - Figura [13] – Central de La Rance, França,
http://no.wikipedia.org/wiki/La_Rance_tidevannskraftverk