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ii
FERREIRA, RAFAEL MALHEIRO DA
SILVA DO AMARAL
Aproveitamento da Energia das Marés
Usina Maremotriz do Bacanga, MA
[Rio de Janeiro] 2007
XIII, 121 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ,
M.Sc., Engenharia Oceânica, 2007)
Dissertação – Universidade Federal do
Riode Janeiro, COPPE
1. Energia das Marés
2. Energia dos Mares
3. Energia Renovável
I. COPPE/UFRJ II. Título (série)
iii
“Utilisez la nature, cette immense auxiliaire dédaignée. Faites travailler pour
vous tous les souffles de vent, toutes les chutes d'eau, tous les effluves
magnétiques. Le globe a un réseau veineux souterrain ; il y a dans ce réseau
une circulation prodigieuse d'eau, d'huile, de feu ; piquez la veine du globe,
et faites jaillir cette eau pour vos fontaines, cette huile pour vos lampes, ce
feu pour vos foyers. Réfléchissez au mouvement des vagues, au flux et
reflux, au va−et−vient des marées. Qu'est−ce que l'océan? Une énorme force
perdue. Comme la terre est bête! ne pas employer l'océan!”
Quatre-Vingt-Treize, Victor Hugo
“Utilizai a natureza, essa imensa ajudante desprezada. Fazeis trabalhar por
vós todos os sopros de vento, todas as quedas d’água, todas as correntes
magnéticas. A Terra possui uma rede venosa subterrânea; existe nesta rede
uma circulação prodigiosa de água, de óleo, de fogo; cortai a veia da Terra, e
faça jorrar essa água pelas vossas fontes, esse óleo pelas vossas lâmpadas,
esse fogo pelas vossas lareiras. Reflita sobre o movimento das ondas, ao
fluxo e refluxo, ao vai-e-vem das marés. O que é o oceano? Uma enorme
força perdida. Como a terra é besta! Não emprega o oceano!”
Noventa e três, Victor Hugo
iv
À minha família,
Conceição, Hercília e Alice
v
AGRADECIMENTOS
Agradeço, primeiramente, a Deus que me possibilitou vivenciar novas oportunidades, nas
quais desenvolvi os dons dados por Ele.
Ao professor e amigo Segen Farid Estefen, por ter contribuído, através de sua visão
empreendedora e pioneira, na minha opção pela pesquisa.
Aos amigos e colegas de trabalho Eliab Ricarte, Paulo Costa, Marcelo Pinheiro e André
Mendes, pela convivência, aprendizado e conselhos que possibilitaram a elaboração
trabalho.
Ao amigo Leonardo Barreira, por ter contribuído com sua experiência neste trabalho.
Aos colaboradores do Laboratório de Tecnologia Submarina da COPPE/ UFRJ, pela ajuda
prestada no desenvolvimento da pesquisa.
À CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) pelo apoio
financeiro fornecido durante este curso de pós-graduação.
Ao Dr. Marcio Vaz dos Santos, Secretário da Prefeitura de São Luís, pela colaboração no
fornecimento de dados e recepção na visita a cidade.
Ao Alexandre Freire do IMCA, por possibilitar e acompanhar a visita à São Luís.
À minha família, por me apoiar e acreditar no meu empenho para a realização do trabalho.
À minha mãe, Conceição, por representar um símbolo de obstinação e virtude, que me
concedeu animação para o desenvolvimento não só deste trabalho, mas de toda minha
trajetória.
vi
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
APROVEITAMENTO DA ENERGIA DAS MARÉS
ESTUDO DE CASO: ESTUÁRIO DO BACANGA, MA
Rafael Malheiro da Silva do Amaral Ferreira
Maio/ 2007
Orientador: Segen Farid Estefen
Programa: Engenharia Oceânica
A energia das marés, embora conhecida e explorada desde a idade média,
configura-se hoje como uma fonte alternativa para a geração de energia elétrica. A
energia das marés é um tipo de energia renovável, não poluente e têm seus custos
comparáveis ao de uma hidrelétrica. Existem poucos lugares adequados no mundo para
a exploração da energia das marés. Os principais fatores condicionantes são a variação
da altura de maré e a proximidade dos mercados consumidores de energia. No Brasil,
existem possibilidades no litoral do Amapá, Pará e Maranhão, onde a maré alcança
alturas superiores a 6 metros. Atualmente, o desenvolvimento de turbinas de baixa
queda permitiu que muitos outros locais se tornassem apropriados para o
aproveitamento do potencial maremotriz. A barragem do Bacanga, situada na cidade de
São Luís, Maranhão, é um sítio potencial para converter a energia das marés em
eletricidade. Uma nova concepção para a usina, considerando a ocupação do entorno do
reservatório, o assoreamento e principalmente o aproveitamento máximo a partir da
utilização de turbinas de baixa queda, torna possível a realização desse aproveitamento.
vii
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
TIDAL ENERGY HARNESSING
STUDY OF CASE: BACANGA ESTUARY, MA
Rafael Malheiro da Silva do Amaral Ferreira
May/ 2007
Advisor: Segen Farid Estefen
Department: Ocean Engineering
The tidal energy, although known and explored since Antiquity, is considered
today as an alternative source for electric energy generation. The energy of the tides is
a type of renewable, non-pollutant energy and its costs are comparable to the
hydroelectricity. Few places in the world are appropriate for tidal energy harnessing.
The main evaluation parameters are the tidal range and proximity to energy consuming
markets. In Brazil, there are possibilities in the Northern region states, where the
greatest amplitudes are observed. Nowadays, low head turbine developments allow
other places to be competitive for tidal power exploitation. The Bacanga dam, located
in São Luís city, Maranhão state, is a potential site to convert tidal energy into
electricity. A new concept for the tidal plant, considering border reservoir occupation,
silting and especially low head turbines, is proposed.
viii
ÍNDICE
Agradecimentos ............................................................................................................. v
Resumo ......................................................................................................................... vi
Abstract ........................................................................................................................ vii
Índice ............................................................................................................................ viii
Lista de figuras .............................................................................................................. x
Lista de tabelas ............................................................................................................. xiii
1 – Introdução ................................................................................................................. 1
1.1 – Objetivos ................................................................................................................ 3
2 – Revisão bibliográfica e Fundamentação teórica ........................................................ 4
2.1 – Energias renováveis .......................................................................................... 4
2.2 – Energia das marés ........................................................................................... 10
2.3 – Fundamentos da energia das marés ................................................................ 13
2.4 – Aproveitamento da energia das marés ............................................................ 16
2.5 – Teoria de marés ............................................................................................. 45
2.6 – Equipamentos eletromecânicos utilizados em maremotrizes ……….......….. 59
3 – Metodologia ............................................................................................................ 65
3.1 – Levantamentos batimétricos .......................................................................... 66
3.2 – Previsão de marés .......................................................................................... 72
3.3 – Modelo de geração de energia ...................................................................... 80
4 – Estudo de Caso: Usina maremotriz do Bacanga ................................................... 82
4.1 – Caracterização .............................................................................................. 83
4.2 – Histórico ...................................................................................................... 86
4.3 – Concepção proposta ....................................................................................... 87
5 – Resultados ............................................................................................................ 90
ix
5.1 – Levantamento batimétricos.................................................................. 90
5.2 – Previsão de maré ............................................................................... 100
5.3 – Modelo de geração de energia ............................................................ 103
6 – Sumário, Conclusões e Recomendações ............................................................. 111
6.1 – Sumário .............................................................................................. 111
6.2 – Conclusões ......................................................................................... 112
6.3 – Recomendações ................................................................................... 114
7 – Referências bibliográficas .................................................................................... 115
Anexos ......................................................................................................................... 120
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Reservas estimadas e produção anual das fontes energéticas (Fonte: WEC,
2004)
Figura 2.2 (a) e (b) Consumo mundial de energia primária e seu uso final
Figura 2.3 – Funcionamento do moinho de maré (Fonte: ERIH, 2007)
Figura 2.4 – Moinho de maré no local monástico de Nendrum, Irlanda (Fonte: ERIH,
2007)
Figura 2.5 – Exemplos de aproveitamentos de antigas estruturas
(a) Turbina Salto del Pirineo instalada em um castelo da Espanha
(b) Turbinas Hidromatrix da VATech instalada em uma eclusa de
navegação na Áustria
Figura 2.6 – Locais com alturas de maré superior a 5 m, apropriados para o
aproveitamento maremotriz
Figura 2.7 – Ciclo de simples efeito – reservatório simples
Figura 2.8 – Funcionamento em simples efeito, geração na vazante
Figura 2.9 – Funcionamento em simples efeito, geração na enchente
Figura 2.10 – Funcionamento em duplo efeito
Figura 2.11 – Esquema de reservatórios múltiplos
Figura 2.12 – Usina maremotriz de La Rance, França – localização e imagem aérea
Figura 2.13 – Barragem da usina maremotriz de La rance
Figura 2.14 – Turbina bulbo empregada na usina de La Rance
Figura 2.15 – Funcionamento da usina de La Rance
Figura 2.16 – Usina Piloto de Kislaya Guba – localização e fotografia
Figura 2.17 – Usina piloto de Annapolis Royal e potencial da Baía de Fundy
Figura 2.18 – Detalhe da casa de força da usina piloto de Annapolis Royal
Figura 2.19 – Turbinas Straflo utilizadas em Annapolis
Figura 2.20 – Projeto de barragem no rio Severn
Figura 2.21 – Localização do projeto da usina maremotriz de Sihwa na Coréia do Sul
Figura 2.22 – Esquema geral da usina do projeto Sihwa (Fonte: Kim et al., 2004)
Figura 2.23 – Sistema Terra-lua – Centros de massa
Figura 2.24 – Sistema Terra-lua – Forças de interação
Figura 2.25 – Decomposição da força tangencial nas direções norte e leste
Figura 2.26 – Esfera celeste: posição relativa da lua
xi
Figura 2.27 – As marés de sizígia (luas cheia e nova) e de quadratura (luas quarto de
crescente e quarto de minguante)
Figura 2.28 – Sistemas anfidrômicos (Fonte: Dean & Dalrymple, 1984)
Figura 2.29 – Esquemas de turbinas de baixa queda utilizadas em maremotrizes
Figura 2.30 – Sistema de 25 turbinas Hidromatrix instaladas na eclusa Freudenau,
Áustria
Figura 2.31 – O esquema Tidal Lagoon com três reservatórios (Tidal Electric, 2007)
Figura 2.32 – Turbinas hidrocinéticas de eixo horizontal (Fonte: MCT, 2007,
Hidrocinética, 2007)
Figura 2.33 (a) Tidal Fence (Fonte: Blue Energy, 2007) (b) Turbina Gorlov (Fonte:
GCK, 2007)
Figura 2.34 – Instalação do protótipo do Stingray (Fonte: EB, 2003)
Figura 3.1 – Disposição das linhas de sondagem
Figura 3.2 – Níveis de maré (Fonte: Marinha 2007)
Figura 3.3 – Cotas consideradas em um levantamento batimétrico realizado com
ecobatímetro
Figura 3.4 - (a) Marés semidiurnas (b) Marés semidiurnas com desigualdades diurnas
Figura 4.1 – Série de marés observadas (azul) e previstas (vermelho)
Figura 4.2 – Valores de variação da maré no litoral brasileiro
Figura 4.3 – Localização do estuário do rio Bacanga na cidade de São Luís, Maranhão
Figura 4.4 – Foto Aérea do estuário do rio Bacanga (Fonte: Maranhão, 2006)
Figura 4.5 – Bacia hidrográfica do rio Bacanga
Figura 4.6 – Esquema da operação da usina
Figura 5.1 – Ecossonda GP 1650 WF, Furuno e trandutor de bronze
Figura 5.2 – Linhas de sondagem do levantamento batimétrico
Figura 5.3 – Calculadora do algoritmo de Vicenty adpatado para o levantamento
batimétrico
Figura 5.4 – Dados de apresentação na tela do ecobatímetro e saída para o computador
Figura 5.5 – Levantamento batimétrico do reservatório realizado em 2007
Figura 5.6 – Batimetria do reservatório visto em superfícies isóbatas
Figura 5.7 – Batimetria do reservatório vista em 3 dimensões
Figura 5.8 – Curva cota x área x volume do reservatório
Figura 5.9 - Levantamento batimétrico do estuário realizado em 2007
Figura 5.10 - Batimetria do estuário visto em superfícies isóbatas
xii
Figura 5.11 - Batimetria do estuário vista em 3 dimensões
Figura 5.12 (a) Alturas de maré durante o mês de janeiro em Ponta da Madeira
(b) Alturas de maré durante o mês de junho em Ponta da Madeira
Figura 5.13 – Curva de permanência das alturas da maré em Ponta da Madeira
Figura 5.14 – Níveis do estuário e do reservatório para a maré de h = 4,3 m
Figura 5.15 – Esquema de geração para a maré média h = 4,4 m
Figura 5.16 – Esquema típico de um dia de geração na maré de quadratura
Figura 5.17 – Esquema típico de um dia de geração na maré de sizígia
Figura 5.18 – Esquema típico de um mês de geração
xiii
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Comparação entre as fontes de energia primária (Fonte: WEC, 2004)
Tabela 2.2 – Potencial da energia das marés na Europa Ocidental
Tabela 2.3 – Sítios potenciais para o aproveitamento maremotriz
Tabela 2.4 – Movimentos astronômicos
Tabela 2.5 – Principais componentes harmônicas que influenciam a maré
Tabela 3.1 – Ordens de levantamento hidrográfico (Fonte: Marinha, 2007)
Tabela 5.1 – (a) e (b) Áreas e volumes do reservatório em relação a sua cota de
enchimento
Tabela 5.2 – Componentes harmônicas de maré maiores que 1 cm em Ponta da Madeira
Tabela 5.3 – Freqüência das alturas de maré em Ponta da Madeira
Tabela 5.4 – Estimativa de produção de energia
1
1- Introdução
As marés são oscilações rítmicas do nível do mar, causadas pela atração
gravitacional do sol e da lua e rotação da Terra, e, eventualmente, por eventos
meteorológicos. A onda de maré carrega consigo grande quantidade de energia, sendo
potencialmente uma fonte energia para as atividades humanas. A conversão da energia
das marés para uso humano é muito antiga, havendo relatos da época romana sobre sua
utilização para a moagem de grãos. Os aproveitamentos mais recentes de marés têm
como objetivo a conversão da energia hidráulica das marés em energia elétrica.
A energia das marés pode ser extraída de dois modos: conversão da energia
potencial, através da construção de uma barragem para criar um reservatório, havendo
desnível entre estuário e reservatório, ou pela conversão da energia cinética das
correntes de maré.
Existem poucos lugares adequados no mundo para a exploração da energia das
marés. O principal fator condicionante é a altura da onda da maré, que implica na
utilização de turbinas hidráulicas de baixa queda. Alguns exemplos de usinas existentes
no mundo, tanto de caráter experimental quanto comercial, são La Rance de 240 MW na
França, Annapolis de 20 MW no Canadá, Jiangxia de 3,2 MW e Kislaya de 0,4 MW na
Rússia. Recentemente, com o desenvolvimento da tecnologia de turbinas de baixa
queda, muitos outros locais podem ser interessantes para o aproveitamento da energia
das marés (Charlier, 2003).
No Brasil, existem possibilidades no Amapá, Pará e Maranhão, onde são
observadas as maiores amplitudes de maré em território nacional (Eletrobrás, 1981). Em
1968, no estado do Maranhão, foi construída uma barragem sobre o rio Bacanga com o
principal objetivo de diminuir a distância da capital São Luís ao porto de Itaqui. O
aproveitamento da energia das marés foi vislumbrado na época da construção da
barragem, fortemente influenciado pela construção da usina de La Rance na França em
1966. Entretanto, face aos custos e à viabilidade técnica, os equipamentos para a
geração nunca foram instalados. A usina se fosse implementada como planejado, seria a
segunda maior do mundo (Charlier,1997).
Na década de 1970, a ocupação urbana no entorno do reservatório, o
assoreamento e a degradação dos equipamentos da barragem tornaram mais crítico um
2
possível aproveitamento daquele estuário para a geração de energia elétrica. No presente
trabalho, uma metodologia para a abordagem de parâmetros de aproveitamentos de
energia das marés é apresentada. Adicionalmente, são discutidas concepções
alternativas para exploração da energia das marés no estuário do rio Bacanga, estado do
Maranhão, Brasil.
No Capítulo 2, encontram-se a revisão bibliográfica e fundamentação teórica do
trabalho. Primeiramente, os temas sobre energias renováveis, energias hidráulica e do
mar em geral e também a energia das marés, foco deste trabalho, são abordados.
O Capítulo 3 consiste na descrição das ferramentas empregadas no
desenvolvimento da metodologia proposta.
No Capítulo 4 é apresentado o estudo de caso da usina do Bacanga, localizada
no município de São Luís no Maranhão. Brevemente, tópicos sobre a caracterização,
localização e histórico da usina são descritos.
A análise dos resultados obtidos constitui o Capítulo 5. Neste, são mostrados os
levantamentos batimétricos realizados, os resultados dos modelos de previsão de maré e
de geração de energia.
Finalmente, no Capítulo 6, são apresentadas as conclusões e recomendações
deste trabalho.
3
1.1 – Objetivos
Embora tenham existido algumas iniciativas no Brasil em relação ao
aproveitamento da energia das marés, a literatura específica é escassa sobre o assunto.
Não obstante, o conhecimento técnico sobre projetos de esquemas maremotrizes no
Brasil e no mundo encontram-se desatualizados, em virtude de avanços tecnológicos,
principalmente no levantamento e análise de dados oceanográficos e costeiros. Neste
sentido, a presente dissertação tem como objetivo realizar a síntese do conhecimento
sobre o aproveitamento da energia das marés, explanando pontos relevantes a todo o seu
processo de desenvolvimento.
Outra contribuição da dissertação é construir uma metodolgia replicável para a
avaliação de locais favoráveis à implantação de aproveitamentos maremotrizes. No
desenvolvimento do estudo de viabilidade de um aproveitamento maremotriz, alguns
procedimentos são obrigatórios, os quais estão aqui reproduzidos em linhas gerais,
como, por exemplo, a obtenção e processamento de dados de maré e de batimetria.
Por fim, a aplicação da metodologia no estudo de caso para avaliação
hidroenergética da usina maremotriz do Bacanga e criação de base de dados da área em
questão configuram-se como objetivos específicos deste trabalho.
4
2- Revisão Bibliográfica e Fundamentação Teórica
2.1- Energias Renováveis
A conversão de energia para as atividades humanas configura-se em uma das
mais importantes buscas ao longo da história. As tecnologias associadas à conversão e à
utilização de energia têm marcado profundamente a evolução das sociedades.
Sucessivamente, a descoberta do fogo, há cerca de 500.000 anos atrás, a utilização de
moinhos na Idade Média e a Revolução Industrial no final do século XVIII
representaram verdadeiras transformações na forma de produzir da sociedade.
As primeiras civilizações tinham disponibilidade reduzida de energia, pois
utilizavam a tração humana ou animal para a realização de atividades como a lavragem
da terra, a irrigação, a moagem e o transporte de grãos. Embora não existam registros
precisos acerca do trabalho executado por homens ou animais, a energia despendida era
limitada a 400 W no caso dos homens e 2.000 W no de animais (Sorensen, 2004).
Até a Revolução Industrial, as fontes primárias de energia eram a tração humana
ou animal e biomassa, acrescidas de algumas utilizações de energia solar, eólica,
hidráulica e maremotriz. A introdução da máquina a vapor tanto no modo de produção
industrial, como também nos transportes marítimos e terrestres, de curtas e longas
distâncias, fez com que os combustíveis fósseis se estabelecessem como principal fonte
energética. O consumo mundial de combustíveis fósseis tem crescido desde o final do
século XVIII, tornando-se o fator preponderante no desenvolvimento industrial e no
progresso da sociedade contemporânea. Simultaneamente, o modelo de
desenvolvimento baseado na maximização do consumo e queima de combustíveis
fósseis vêm ocasionando graves problemas ambientais.
O debate sobre as questões ambientais e energéticas teve seu início após as
publicações da década de 1970. Em Limits to Growth (Meadows et al., 1972), relatório
elaborado pelo Clube de Roma, o padrão de desenvolvimento econômico foi
severamente criticado. O desequilíbrio entre a oferta e a demanda por recursos naturais
foram deflagrados, de forma que, se as tendências atuais de crescimento fossem
mantidas, o mundo alcançaria o limite de sustentabilidade em pouco tempo.
5
Em seguida, a Conferência de Estocolmo (UN Conference on the Human
Environment, 1972) introduziu a dimensão ambiental na agenda internacional e
ressaltou as dependências entre desenvolvimento e o meio ambiente. Os principais
problemas ambientais identificados afetavam, de maneira geral, todo o globo terrestre,
tais como a destruição da camada de ozônio, o efeito estufa, as mudanças climáticas e a
chuva ácida. A aceleração desses problemas ambientais globais estava ligada ao
desenvolvimento industrial, verificado principalmente nos países ricos e desenvolvidos.
A partir de então, a abordagem de tais problemas ambientais passou a considerar a
dimensão social, à medida que, os países industrializados, por provocarem maiores
danos ao meio ambiente, responderiam em maior proporção em suas ações mitigadoras
do que aqueles em desenvolvimento.
Nos anos de 1973-74 e 1979-80, o paradigma do consumo intensivo do petróleo
foi afetado em virtude dos Choques do Petróleo, que significaram uma onda sucessiva
de aumento dos preços do produto no mercado internacional (La Rovere, 1985).
Paralelamente, os acidentes em usinas nucleares de Three Mile Island, em 1979, e em
Chernobyl, em 1986, somados a outras agressões ao meio ambiente em função do
suprimento da demanda energética, fizeram com que novos rumos em relação à questão
energética fossem traçados (Krüger, 2001).
A década de 1980, comumente chamada de a década perdida, trouxe uma nova
crise econômica ao mundo capitalista conseqüência das crises do petróleo ocorridas nos
anos anteriores. Os países em desenvolvimento evitavam tratar das questões ambientais
de forma pragmática, uma vez que tinham consciência que o seu desenvolvimento
econômico dependia da utilização ostensiva de recursos naturais e intervenção no meio
ambiente. Em 1987, o relatório Nosso Futuro Comum (Brundtland, 1987) elaborado
pela Comissão Mundial para o Meio Ambiente e Desenvolvimento, lançou as bases do
Desenvolvimento Sustentável, apontando a dimensão sócio-econômica como necessária
na abordagem das questões ambientais.
Por fim, a Conferência do Rio de Janeiro (UN Conference on the Environment
and Development, 1992), realizada em 1992, assinalou uma transformação no
tratamento das questões ambientais, resultando em acordos e documentos de âmbito
internacional. O comprometimento dos países em desenvolvimento foi garantido com a
6
inclusão de metas bem definidas que não restringiriam a evolução econômica de tais
países.
Entre outras conferências sobre mudanças climáticas que foram organizadas
após aquela do Rio de Janeiro, a realizada em Kyoto, em 1997, produziu um acordo
internacional dos mais importantes do setor energético: o Protocolo de Kyoto. Através
deste acordo, são estabelecidos mecanismos de redução e combate ao aquecimento
global. Importante observar que as metas adotadas de redução da emissão de gases
estufa foram proporcionais ao grau de industrialização e poluição dos países signatários,
resultando nas taxas de 8 % para a União Européia, 7 % para os Estados Unidos e 6 %
para o Japão, até 2012.
Outra novidade deste acordo foi o lançamento do Mecanismo de
Desenvolvimento Limpo (MDL), cujo significado é o fomento de projetos mitigadores
da emissão de gases estufa por parte dos países industrializados, tais como sumidouros
de carbono pelo processo de fotossíntese, de tecnologias mais limpas nos processos
industriais, de eficiência no uso final da energia e de incentivo ao desenvolvimento de
fontes alternativas de energia.
Apesar de haver uma preocupação premente com o meio ambiente, através da
redução da emissão de gases estufa que provocam as mudanças climáticas, o consumo
mundial de energia vem aumentando significativamente em virtude do crescimento
populacional acentuado e da evolução do seu poder aquisitivo. As discussões nos
acordos internacionais de mudanças climáticas sugerem o desenvolvimento e utilização
de fontes renováveis de energia em substituição dos combustíveis fósseis.
Em relação aos debates sobre desenvolvimento sustentável e desenvolvimento,
diversos autores estabelecem o conceito de alternativas energéticas, que incluem tanto a
inserção de novas fontes na matriz energética, quanto o aumento da eficiência na
geração e utilização da energia consumida. Reis e Silveira (2000) enumeram alguns
pontos estratégicos na busca por soluções energéticas dentro do contexto de
sustentabilidade, como introdução de tecnologias de energia renováveis em detrimento
do consumo de combustíveis fósseis, aumento da eficiência energética, aumento da
eficiência na produção industrial e transportes para minimizar o consumo de energia.
Também sugerem a redefinição das políticas energéticas de forma a viabilizar a
7
formação de mercados para as tecnologias “limpas”, paralelamente à cobrança de custos
ambientais das alternativas mais poluentes.
Enfim, a ampliação das fontes renováveis de energia seria uma condição
necessária, ainda que não seja a única, para reduzir os impactos ambientais globais
verificados nas últimas décadas, conforme tem sido discutido na totalidade dos eventos
internacionais sobre o tema. Neste sentido, a pesquisa e o desenvolvimento tecnológico
desempenharão um importante papel na busca por novas fontes energéticas (Darzé,
2002).
Diversos estudos estão sendo realizados acerca das fontes alternativas de
energia, considerando que em grande parte destas observa-se um resgate de antigas
idéias concebidas outrora, porém revestidas de atualidades tecnológicas e com
incremento de eficiência. Dentre essas fontes, a energia solar, eólica, hidráulica e
maremotriz, embora conhecidas desde as primeiras civilizações, vem recebendo
bastante atenção e incentivo, materializado em pesquisas e investimentos nos últimos 30
anos.
As fontes de energia primária podem ser classificadas como não-renováveis ou
renováveis, no tocante à possibilidade de esgotamento ou extinção, e limpas e
poluentes, em relação ao fato de produzirem ou não resíduos ou emissões ao meio
ambiente. As fontes ditas não-renováveis são aquelas formadas pela natureza por
processos lentos e caracterizam-se por estarem concentradas em reservas finitas. Dentre
estas fontes estão o petróleo, o gás natural, a energia geotérmica e os combustíveis
radioativos.
As reservas estimadas das fontes não-renováveis estão comparadas, na Figura
2.1, à produção anual das energias solar e derivadas: fotossíntese (biomassa), vento
(éolica), ondas (derivada dos ventos) e ciclo hidrológico (hidráulica).
8
A principal diferença entre estas fontes e as renováveis reside no fato que suas
reservas esgotam-se rapidamente em virtude da utilização acelerada pelo homem destes
recursos e, desta maneira, impossibilitando sua recomposição pela natureza.
Contrariamente, as fontes alternativas constituem-se em uma opção ao paradigma
vigente baseado em combustíveis fósseis e caracterizam-se pelo fato de serem energias
limpas e renováveis. Nesta classificação estão a energia solar, eólica, hidráulica, das
ondas, das marés e do hidrogênio. Ainda pode ser incluída como renovável, as energias
provenientes da biomassa, que, entretanto, podem causar comprometimentos ao meio
ambiente, como desertificação provocada pelo desmatamento não planejado ou exaustão
do solo decorrente da monocultura, poluição provocada pela queima da biomassa com
emissão de gases tóxicos e produção de resíduos.
Na Figura 2.2, as fontes de energia primária utilizadas mundialmente e o uso
final desta energia são apresentados.
Figura 2.2: Consumo mundial de energia primária e seu uso final
Figura 2.1: Reservas estimadas e produção anual das fontes energéticas (WEC, 2004)
9
A matriz energética mundial é baseada na utilização de fontes não-renováveis,
com a participação de 38% do petróleo e derivados, 26% de carvão mineral e 6% de
combustível nuclear. A larga aceitação dos combustíveis fósseis em detrimento de
outras fontes pode ser explicada pelo seu baixo preço praticado no mercado. Esse
motivo, também, configura-se em um obstáculo para o desenvolvimento das tecnologias
renováveis, uma vez que, não considerando seus aspectos ambientais positivos, estes
não alcançam competitividade econômica.
De acordo com o Conselho Mundial de Energia (WEC), 1,6 bilhão de pessoas no
mundo não têm acesso a uma energia moderna e comercial. A maior parte dessas
pessoas vive em zonas rurais e comunidades isoladas de países em desenvolvimento,
nas quais as perspectivas sociais e econômicas são extremamente reduzidas em função
da carência de energia. As energias renováveis podem constituir-se em um vetor de
desenvolvimento nessas regiões onde inexiste infra-estrutura adequada, entretanto,
possuem fontes naturais evidentes para a produção de energia alternativa. Desta forma,
a democratização do acesso à energia elétrica e a diversificação da matriz energética
podem ser alcançadas através da aplicação de tecnologias de energia renovável.
O aproveitamento do comprovado potencial energético dos oceanos configura,
atualmente, como uma possibilidade promissora para produzir energia limpa e sem
impactos ao meio-ambiente. Marés, ondas e correntes marinhas são recursos renováveis
cujo aproveitamento para a geração de eletricidade registra significativos avanços
tecnológicos, encontrando respaldo nos princípios de acessibilidade, disponibilidade e
aceitabilidade, propalados pelo Conselho Mundial de Energia (WEC, 2004) para o
desenvolvimento de alternativas energéticas. A exploração da energia das marés já é
uma realidade comercial na Europa, enquanto que conversores de energia das ondas
encontram-se em pleno desenvolvimento no mundo, inclusive em fase inicial de
comercialização.
Tabela 2.1: Comparação entre as fontes de energia primária (WEC, 2004) Tabela 2.1: Comparação entre as fontes de energia primária (WEC, 2004)
Fóssil
Nuclear
Hidro
Solar
Éolica
Marés
Ondas
Correntes
Fonte Renovável
Baixo custo de instalação
Baixo custo de manutenção
Mínimo impacto
ambiental
Mínimo impacto visual
Previsível Modular
10
2.2- Energia das Marés
Diariamente, o nível dos mares se altera, principalmente como conseqüência do
fenômeno das marés. Este fato foi relatado, primeiramente, pelos romanos após suas
incursões à Gália e Bretanha (França e Reino Unido atuais), pois ao contrário do mar
Mediterrâneo, a variação da maré nesses litorais é bastante expressiva. Desde a
ocupação romana na Inglaterra, vários moinhos foram construídos utilizando a força das
marés para seu funcionamento.
O funcionamento dos moinhos de maré consistia no represamento da água
durante a enchente para ser liberada durante a vazante, sendo a roda de água acionada
pela passagem do fluxo.
O funcionamento básico dos moinhos de maré é descrito na Figura 2.2.
Na maré enchente, a comporta é aberta permitindo a entrada de água no
reservatório. Quando a maré começa a baixar, as comportas são forçadas a fechar e a
água armazenada encontra-se no mesmo nível alcançado pela preamar. Assim que o
nível da maré está abaixo da roda de água, o moinho começa operar a partir da
passagem do fluxo de água que faz girar as pás da roda.
As tecnologias para o aproveitamento da energia hidráulica inspiraram-se na
irrigação, um dos usos mais antigos da água. Por volta do II século a.C., há o
aparecimento dos primeiros moinhos movidos a água tanto no Ocidente como na China.
Por volta de 100 a.C., Vitrúvio, ilustre precursor da engenharia, instalou várias rodas de
água, de modelo ainda rudimentar para o acionamento de alguns dispositivos
mecânicos. Em sua principal obra, “De Architectura”, existem referências sobre
moinhos acionados pelo efeito das marés.
Figura 2.3: Funcionamento do moinho de maré (Fonte: Clark et al., 2003)
11
Embora os romanos conhecessem e usassem as rodas hidráulicas, como fonte de
energia mecânica, não exploraram muito o seu uso, pois contavam com abundantes
escravos. Durante a ocupação romana da Grã-Bretanha, vários moinhos foram
construídos com o objetivo de moer grãos.
Os saxões foram os responsáveis pela popularização da energia hidráulica na
Grã-Bretanha. As evidências mais antigas, encontradas em documentos, são as de uma
concessão dada pelo rei Etelberto de Kent em 762 d.C. Os moinhos de água
constituíram-se em uma revolução tecnológica ocorrida na Idade Média, possibilitando
a multiplicação das forjas para a fabricação do ferro, além das funções de moer grãos,
peneirar a farinha, torcer os lençóis, fabricar papéis entre outros.
Há notícias do mais antigo moinho de maré, construído em 787 d.C., localizado
na região monástica de Nendrum, Irlanda (Figura 2.4). Na margem próxima ao lado
nordeste do local, existe uma parede de enrocamento paralela à linha de costa, que se
estende por aproximadamente 120 m e está a uma distância de 20 m da linha de
preamar. Nas escavações foram encontradas as pás de madeira pertencentes à roda
d’água. O moinho era utilizado para moer grãos.
Outros moinhos de maré foram construídos em vários países da Europa, durante
a Idade Média. Na Inglaterra, entre 1066 e 1086, um moinho foi construído na entrada
do porto de Dover. A partir do século XII, outros moinhos foram tomando lugar ao
longo do litoral atlântico da Europa, na França, no país Basco, no norte da Espanha e
Portugal. O único moinho desta época que ainda está em operação é o Elling Mill,
localizado no sul da Inglaterra.
Figura 2.4: Moinho de maré no local monástico de Nendrum, Irlanda (Fonte: ERIH, 2006)
12
Em 1613, foi estabelecido o primeiro moinho de maré no continente americano.
O moinho foi construído pelos franceses com auxílio dos índios Micmac, em Port
Royal, atualmente na região de Annapolis Royal, onde está localizada hoje uma usina
maremotriz. Sucessivamente, regiões da Nova Inglaterra, Nova York, Passamaqoddy
(atual EUA) receberam aproveitamentos deste tipo (Charlier & Menanteau, 1997).
Forest de Bélidor, professor da escola de artilharia de La Fère (França), em sua
principal obra Traité d’architecture hydraulique, realizou um estudo conciso sobre o
aproveitamento da energia cinética das marés. Nesta obra, é apresentado um sistema que
permite uma geração contínua de energia, através da utilização de duas bacias ou
reservatórios operando simultaneamente.
Durante as revoluções industriais, novas fontes de energia foram incorporadas,
ocasionando extraordinário desenvolvimento dos processos produtivos. A utilização de
moinhos hidráulicos, eólicos ou de maré foi drasticamente reduzida em virtude da sua
substituição por dispositivos alimentados por carvão, petróleo ou eletricidade.
A euforia causada pela introdução dessas novas fontes de energia associada à
invenção de novas máquinas que revolucionaram a forma de produzir da humanidade,
impossibilitou que os efeitos deletérios do uso indiscriminado dos combustíveis fósseis
fossem percebidos. Entretanto, nas últimas décadas, a constatação de problemas
ambientais a nível mundial, como a poluição do ar e da água, o efeito estufa, as
mudanças climáticas e a chuva ácida, fez despertar novamente o interesse pelas energias
renováveis e não-poluentes como alternativas àquelas fontes utilizadas até então.
Recentemente, a energia das marés vem sendo utilizada para a produção de
energia elétrica em grandes escalas com maior eficiência. Existem, basicamente, duas
formas de aproveitamento da energia das marés: utilizando a subida e descida do nível
do mar, para extrair sua energia potencial ou empregando o fluxo e refluxo das marés
para extrair a energia cinética das correntes.
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
13
estuários foram propostos no Reino Unido (Severn e Mersey), França (La Rance) e nos
EUA (Passamaquoddy).
Finalmente, em 1966, após muitos anos de pesquisas, foi construída a Usina de
La Rance, na região da Bretanha, França, sendo a primeira usina maremotriz de grande
escala para fins comerciais.
2.3- Fundamentos da energia das marés
As energias solar, eólica, hidráulica e do mar são fontes alternativas que têm
como características o fato de serem renováveis e limpas, ou seja, não se esgotam e não
produzem resíduos ou emissões ao ambiente. A maior parte desses recursos é originada
da energia do sol, havendo concentração dessa energia nos processos de formação dos
ventos, ondas, correntes e do ciclo hidrológico.
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.
Os recursos energéticos dos oceanos são comprovadamente fontes viáveis de
exploração. A água do mar é, em média, 835 vezes mais densa do que o ar, o que
significa que há maior concentração de energia nos recursos oceânicos. A energia das
marés é originada a partir dos campos gravitacionais da lua e do sol e tem um potencial
mundial estimado em 3 TW.
Embora o potencial mundial das marés seja cerca de 3 TW, somente parte deste
potencial pode ser convertido, em virtude da dispersão de energia em mar aberto e
conseqüentes alturas de marés modestas para exploração. Desta forma, estima-se que
somente 2 a 10% do potencial poderia ser explorado, em determinados locais junto à
linha de costa ou em estuários, onde as alturas de maré sejam adequadas para a
implantação de uma usina. Os principais parâmetros para o aproveitamento da energia
talassométrica são suficientes alturas de maré em locais favoráveis aos trabalhos de
engenharia e proximidade do mercado consumidor de eletricidade (Charlier, 2003).
14
Todavia, devido ao impulso das energias renováveis, verificado nas últimas
décadas, a concepção de usinas de grande porte que centralizam a produção de
eletricidade e reduzem os custos, vem perdendo espaço para pequenas usinas
descentralizadas, que aproveitam recursos considerados outrora não apropriados e,
principalmente, que produzem menos impactos ambientais, antrópicos e econômicos.
Em relação ao aproveitamento maremotriz, Charlier (2003) afirma que os
desenvolvimentos da tecnologia de turbinas de baixa queda têm permitido que centenas
de outros locais tornem-se favoráveis à exploração de energia.
Outra tendência atual nos aproveitamentos hidrelétricos, inclusive maremotriz, é
a reutilização de antigas estruturas como pontes, barragens e eclusas, para a construção
de usinas de pequeno porte. Na Figura 2.5, alguns exemplos curiosos de antigas
estruturas que se tornaram pequenas hidrelétricas são apresentados.
As marés têm amplitude nula em mares interiores como o mar Negro, entre a
Rússia e a Turquia, ou o mar Báltico, entre a Suécia e os países Bálticos. No mar
Mediterrâneo, a altura de maré tem valores desprezíveis, cerca de 20 a 40 centímetros,
sendo por esta razão que as antigas civilizações da Antiguidade, praticamente, não
tinham conhecimento acerca do fenômeno. Contrariamente ao oceano Pacífico, que
possui modestas alturas de maré, no oceano Atlântico são verificadas as maiores marés.
A maior maré registrada no litoral atlântico está na província de Santa Cruz,
Argentina, onde a maré pode alcançar 14 metros de altura. Todavia, as marés podem ser
ainda maiores quando se propagam em baías e estuários, como ocorre na baía de Fundy,
Figura 2.5: Exemplos de aproveitamentos de antigas estruturas (a) Turbina Salto do Pirineo instalada em um castelo na Espanha
(b) Turbinas Hidromatrix da VATECH instalada em uma eclusa de navegação na Áustria
(a) (b)
15
Canadá, com alturas até 15 metros, no estuário do Severn, Grã-Bretanha, com alturas de
13,6 metros ou no estuário do Rance, com alturas de 13,5 metros.
Na Tabela 2.2, o potencial de energia das marés nos países europeus, onde esse
recurso é significativo, foi estimado através de uma abordagem paramétrica (Baker
apud Hammons, 1993). Esse potencial é principalmente composto pelas marés da Grã-
Bretanha e França e, em menor parte, pela Irlanda, Holanda, Alemanha e Espanha. Por
outro lado, não há potencial expressivo nos países escandinavos, países bálticos,
Portugal, Itália, Grécia e outros países mediterrâneos por possuírem baixas alturas de
maré.
País Recurso disponível
teoricamente GW TWh/ano
% do total europeu
Reino Unido 25,2 50,2 47,7 França 22,8 44,4 42,1 Irlanda 4,3 8 7,6
Holanda 1 1,8 1,8 Alemanha 0,4 0,8 0,7 Espanha 0,07 0,13 0,1
Total Europa Ocidental 53,8 105,4 100
Em outras regiões do mundo, os levantamentos são escassos para a elaboração
de estimativas confiáveis. Acredita-se que o potencial mundial é cerca de 5 a 10 vezes
aquele da Europa Ocidental, ou seja, 500 a 1.000 TWh/ano. Na Figura 2.6, os principais
locais apropriados para o aproveitamento da energia das marés são apresentados.
AArrggeennttiinnaa AAuussttrráálliiaa
RRúússssiiaa
FFrraannççaa
RReeiinnoo UUnniiddoo
AAllaassccaa
CCaannaaddáá
BBrraassiill ÍÍnnddiiaa
CCoorrééiiaa
CChhiinnaa
EEUUAA
Figura 2.6: Locais com alturas de maré superior a 5 m, apropriados para o aproveitamento maremotriz
Tabela 2.2: Potencial de energia de marés na Europa Ocidental
16
Existem poucos lugares adequados no mundo para a exploração da energia das
marés. O principal fator condicionante é a altura da onda da maré, que implica na
utilização de turbinas hidráulicas de baixa queda. Alguns exemplos de usinas existentes
no mundo, tanto de caráter experimental quanto comercial, são La Rance de 240 MW na
França, Annapolis de 20 MW no Canadá, Jiangxia de 3,2 MW e Kislaya de 0,4 MW na
Rússia. Recentemente, com o desenvolvimento da tecnologia de turbinas de baixa
queda, muitos outros locais podem ser interessantes para o aproveitamento da energia
das marés (Charlier, 2003).
No Brasil, existem possibilidades no Amapá, Pará e Maranhão, onde são
observadas as maiores amplitudes de maré em território nacional (Eletrobrás, 1981). Em
1968, no estado do Maranhão, foi construída uma barragem sobre o rio Bacanga com o
principal objetivo de diminuir a distância da capital São Luís ao porto de Itaqui. O
aproveitamento da energia das marés foi vislumbrado na época da construção da
barragem, fortemente influenciado pela construção da usina de La Rance na França em
1966. Entretanto, face aos custos e à viabilidade técnica, os equipamentos para a
geração nunca foram instalados. A usina se fosse implementada como planejado, seria a
segunda maior do mundo (Charlier,1997).
Na década de 1970, a ocupação urbana no entorno do reservatório, o
assoreamento e a degradação dos equipamentos da barragem tornaram mais crítico um
possível aproveitamento daquele estuário para a geração de energia elétrica. Neste
trabalho, são discutidas concepções alternativas para exploração da energia das marés
no estuário do rio Bacanga, estado do Maranhão, Brasil.
2.4 - Aproveitamento da Energia das Marés
Ao redor do mundo, aproximadamente 3 TW de energia são continuamente
disponibilizados pelas marés. Entretanto, devido às restrições de que poucos locais
possuem alturas de marés adequadas ao aproveitamento, é estimado que somente 2% ou
60 GW podem ser convertidos em geração de energia.
A energia das marés pode ser extraída de dois modos: conversão da energia
potencial, através da construção de uma barragem para criar um reservatório, havendo
desnível entre estuário e reservatório; ou pela conversão da energia cinética das
correntes de maré.
17
A energia potencial pode ser definida como a energia contida num corpo de
massa m que esteja a uma altura h do campo gravitacional de aceleração g, conforme a
equação:
mghEP = (2.1)
A energia cinética, por sua vez, pode ser definida como a energia dispendida no
movimento de um corpo de massa m com uma velocidade v, de acordo com a equação:
2
2mvEC = (2.2)
Na hidráulica, geralmente, a massa m é substituída pelo produto de sua massa
específica pelo seu volume ρV, tornando as fórmulas de energia potencial e cinética
desta forma:
VghEP ρ= (2.3)
2
2VvECρ
= (2.4)
Em relação às marés, as equações (2.3) e (2.4), podem ser modificadas em
virtude das peculiaridades do fenômeno. Na equação da energia potencial, o volume de
água ou prisma de maré V é transformado no produto da área do espelho de água do
estuário AR pela altura da maré h e, então, substituindo ρg:
EP = 10,15 AR h² (kJ) (2.5a)
P = 225 AR h² (kW) (2.5b)
Pode ser observado na equação (2.5), que a energia potencial em um estuário
que sofra barramento será proporcional ao produto da área do reservatório criado e do
quadrado da altura da maré.
No caso de um aproveitamento ao largo, a massa de água encontra-se em
movimento, podendo, então, haver extração de sua energia cinética. O volume da massa
de água V é decomposto na área transversal do fluxo AT e distância percorrida durante o
fluxo s, que dividida pelo tempo necessário para percorrê-la, torna na fórmula de
potência o termo de velocidade cúbico:
EC = 0,5 AT s v² (kJ) (2.6 a)
P = 515 AT v³ (kW) (2.6 b)
18
A potência e energia potencial do movimento das marés, durante seu ciclo de,
aproximadamente, 6,2 horas, podem ser calculadas pelas equações (2.7):
∫=H
RP hdhgAE0
ρ (2.7 a)
T
hdhgAP
H
R ∫= 0
ρ (2.7 b)
onde AR é a superfície do reservatório em km²; H é a altura da maré em m; h é a queda
em metros; g é a aceleração da gravidade em m/s²; ρ é a massa específica da água do
mar em kg/m³ e T é o ciclo da maré em segundos.
A energia extraída no esvaziamento do reservatório pode ser expressa como:
∫=H
esv hdhhAgE0
)(ρ (2.8)
A energia extraída no enchimento do reservatório pode ser expressa como:
∫ −=H
ench dhhHhAgE0
))((ρ (2.9)
A energia total possível de ser extraída num ciclo completo será:
∫=+=H
enchesvTotal dhhAgHEEE0
)(ρ (2.10)
Fazendo A(h) constante ao longo da altura h, igual a AR, e a expressão do
volume V considerada na equação (2.11):
∫=H
R dhhAV0
)( (2.11)
Então:
)(226 22 kWhHAAgHgHVE RRTotal === ρρ (2.12)
Entretanto, apenas 30% pode ser de fato absorvido, por exemplo, num
reservatório unitário de 1 km², a capacidade em kWh, produzida nas maiores marés,
será:
)(311 2 kWHAP Runit = (2.13)
19
E a máxima vazão turbinada, em m³/s, será:
)/(57 3max smHAQ R= (2.14)
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.
Na geração de simples efeito durante a vazante da maré, o enchimento do
reservatório ocorre entre a baixamar e a preamar, mantendo as comportas abertas. Após
a preamar, o reservatório é esvaziado fazendo com que a água passe pelas turbinas
(Figura 2.8).
Quando a maré sobe, abrem-se as comportas para o enchimento do reservatório,
quando a maré começa a baixar, as comportas são fechadas e espera-se um tempo, cerca
de 3 horas, para obter o desnível necessário para a geração. Alternativamente, pode
haver bombeamento para otimizar o armazenamento do reservatório.
Na geração durante a enchente da maré, o enchimento do reservatório ocorre
pela turbinagem e o esvaziamento efetua-se com as comportas abertas. Neste caso, a
Figura 2.7: Ciclo de simples efeito – reservatório simples
Figura 2.8 – Funcionamento em simples efeito, geração na vazante (Fonte: Díez, 2002)
20
eficiência é menor do que na geração durante a vazante, porque o reservatório funciona
com níveis menores e o armazenamento de água é menor. Após esse período, durante 5
a 6 horas, ocorre a turbinagem da água havendo geração de energia elétrica (Figura 2.9).
Consequentemente, o período de geração na maré vazante, ao longo do dia, é de
10 a 12 horas. Ao passo que, na enchente, o período de geração é da ordem de 8 a 10
horas, em virtude do menor armazenamento do reservatório nesta modalidade.
Na geração de duplo efeito (Figura 2.10), a energia é produzida durante ambas
as marés, enchente e vazante. Neste caso, podem ser empregadas turbinas reversíveis,
não-reversíveis com sistemas de canais e comportas ou ainda duas séries de turbinas
não-reversíveis. A quantidade de energia convertida é menor do que no simples efeito,
devido a menor diferença de níveis entre o mar e o reservatório. O rendimento também
é reduzido em função da impossibilidade de otimizar as turbinas e a vazão aduzida.
O fator de utilização da usina, apesar das limitações, ainda é maior que na
geração de simples efeito, em cerca de 18 %. O período de geração é da ordem de 12 a
14 horas por dia, com tempos de espera de 2 a 3 horas por ciclo de maré (Díez, 2002).
Figura 2.9 – Funcionamento em simples efeito, geração na enchente (Fonte: Díez, 2002)
Figura 2.10 – Funcionamento em duplo efeito
21
Adicionalmente, alguns projetos foram concebidos com a utilização de múltiplos
reservatórios, para garantir menor intermitência na geração de energia (Figura 2.11).
Esses esquemas configuram-se por dois ou mais represamentos que operam de maneira
alternada, frequentemente sendo realizado bombeamento entre os represamentos. Em
contrapartida, os custos das obras civis, devido à construção de diques, barragens e
comportas, são proporcionais à sofisticação do sistema, acarretando na sua inviabilidade
econômica.
No final do século XIX e início do século XX, foram desenvolvidos diferentes
conceitos para o aproveitamento maremotriz, combinando os diferentes tipos de geração
com a quantidade de reservatórios e o arranjo dos equipamentos geradores e obras civis.
Alguns desses conceitos são descritos a seguir (Eletrobrás, 1981):
a) Bacia dupla com geração em simples efeito, casa de força na barragem principal
Esse esquema foi idealizado por Bernshtein em 1946, e consiste na utilização de
um reservatório dividido em duas bacias simples, uma superior e uma inferior,
separadas por um dique. A casa de força é comum às duas bacias, situada na barragem
principal. A operação é em simples efeito, porém por um período mais longo,
alternando a geração com a bacia superior, inferior e o mar. Embora a potência da casa
de força seja reduzida à metade, a energia extraída é a mesma, pois cada bacia produz
metade da energia total. A eficiência do esquema é de 38 %, em função do maior tempo
de geração. Outra vantagem é a redução do fator de carga da casa de força. Por outro
lado, esse esquema não foi considerado em nenhum projeto, tratando-se apenas de um
esquema teórico.
Figura 2.11 – Esquema de reservatórios múltiplos (Fonte: Díez, 2002)
22
b) Bacia dupla com casa de força na barragem de separação
Esse esquema foi proposto por Decoeur em 1890, que também foi responsável
pela patente das turbinas hidráulicas para o aproveitamento de marés nos estuário do
Sena. Trata-se de uma variante do esquema de Bernshtein 1946, onde a casa de força
está localizada na barragem de separação. A geração ocorre apenas entre as bacias
inferior e superior, enquanto o mar preenche a bacia superior na enchente e a bacia
inferior é esvaziada para o mar na vazante. Sua vantagem é a produção contínua ao
longo do dia, porém não é capaz de compensar as desigualdades mensais da maré.
c) Bacia dupla com duas casas de força e estação de bombeamento na bacia superior
Nesse esquema, também conhecido como esquema Claude de 1920, as casas de
força são independentes para cada bacia e o nível do reservatório superior é otimizado
com o bombeamento, realizado pela turbinas reversíveis da casa de força superior.
Caquot e Defour, em 1935, propuseram um esquema de bacia dupla em simples
efeito, utilizando bombeamento. Bernshtein, em 1947, apresentou outro esquema de
bacia dupla. Defour propôs outros esquemas, em 1920 e 1925 combinando reservatórios
múltiplos e bombeamento (Eletrobrás, 1981). O aperfeiçoamento desses esquemas
objetivava compensar as flutuações de geração de energia, tornando-a mais constante.
Todavia, a sofisticação imposta nesses projetos, representada por aumento das obras
civis, duplicação dos equipamentos geradores entre outros, acarretou na elevação dos
custos e na inviabilidade econômica de sua construção.
Nos estudos sobre o aproveitamento maremotriz na Baía de Fundy, Canadá, a
partir de 1977, a proposta central era a redução dos custos de geração de energia, o que
conduziu ao abandono dos esquemas mais complexos e a adoção de um esquema mais
simples, onde a compensação dos períodos de não geração fosse feita externamente à
usina. O esquema adotado na usina resultante desses estudos, Annapolis Royal, foi o de
bacia simples operando em simples efeito, além da integração no sistema elétrico para
compensação dos períodos em que não havia geração.
O funcionamento das usinas maremotrizes é condicionado às características do
fenômeno da maré, notadamente, as variações diárias e mensais. Ao longo do dia, em
regiões de maré semidiurna, o ciclo de maré se repete duas vezes, resultando em 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
23
igualam. Ao longo do mês, em função das posições relativas do sistema Terra, lua e sol,
as amplitudes de maré variam a cada ciclo, havendo duas marés de sizígia e duas marés
de quadratura. Como conseqüência, a geração de energia durante a maré de sizígia é
superior do que aquela gerada durante a quadratura.
Essas características de intermitência das marés sugerem uma integração da
usina a outras formas de geração elétrica, sejam termelétricas, hidrelétricas ou outra
fonte renovável, ou ainda, diretamente, ao sistema de transmissão de energia elétrica.
Entretanto, o principal problema em integrar uma usina maremotriz diretamente ao
sistema reside no fato de que a entrada de energia no sistema não é contínua, traduzida
em picos de geração alternando com períodos de não geração. Além do mais, a energia
disponibilizada pela usina nem sempre coincidirá com a demanda do mercado
consumidor. Obviamente, uma usina maremotriz de pequeno porte integrada a um
grande sistema elétrico não apresentaria problemas tão graves.
As contribuições de energia de uma usina maremotriz, quando integrada ao
sistema elétrico, poderiam ser utilizadas para reduzir a carga sobre usinas “velhas” de
base de maior custo de geração, geralmente termelétricas de carvão. O caráter preditivo
das usinas maremotrizes possibilita, quando sua contribuição está bem planejada no
sistema, a redução do consumo de combustíveis fósseis em usinas termelétricas,
propiciando, assim, economia na geração e vantagens ambientais (Elliot, 2004).
No caso particular do Brasil, que possui sua matriz de eletricidade baseada na
energia hidráulica, a sugestão de integração entre usinas maremotrizes e hidrelétricas é
bastante interessante. 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. O artifício poderia ser
empregado tanto em relação aos períodos de geração e não geração diária, quanto às
flutuações mensais das marés de sizígia e quadratura, nas quais a hidrelétrica trabalharia
com maior ou menor carga (Eletrobrás, 1981).
A simbiose estabelecida por essa integração, por um lado, minimiza as
flutuações na geração maremotriz e, por outro, resguarda a usina hidrelétrica de
funcionar em determinados períodos para, em outros, operar com melhor eficiência.
Desta forma, a usina hidrelétrica diminui a sua dependência em relação ao volume de
24
precipitações ao longo do ano, uma vez que, pode considerar a operação prevista da
usina maremotriz (Eletrobrás, 1981).
A energia total dissipada pelas marés é estimada em 3 TW, dos quais cerca de 1
TW está disponibilizado nas regiões próximas ao litoral. Claramente, maiores estudos
são necessários para determinação do potencial teórico de cada região no mundo, como
o conhecimento da morfologia costeira, das elevações de maré, batimetria e topografia
das áreas entre outros. Diversos autores diferem em suas pesquisas sobre os sítios
potenciais, por vezes, incluindo ou excluindo determinada região, em função da
abrangência de sua pesquisa ou disponibilidade de fontes confiáveis.
Obviamente, o potencial teórico de 1 TW dissipado em águas rasas não poderia
ser inteiramente aproveitado, em virtude das especificidades do local desde aspectos
físicos e morfológicos até fatores econômicos como a proximidade do mercado
consumidor. Jackson apud Boyle (1992) estima em 100 GW a parte do recurso viável a
ser explorada. Os fatores determinantes para a escolha dos sítios potenciais ao
aproveitamento maremotriz são, basicamente, a altura das marés, a área do reservatório,
o comprimento da barragem e a proximidade do mercado consumidor. Os valores de
alturas de marés, apontados por literatura específica, para o aproveitamento
hidroenergético situa-se entre 3 e 5 metros (Charlier, 2003, Eletrobrás, 1981). Este valor
está condicionado ao equipamento gerador a ser empregado no projeto, portanto sua
flexibilização torna-se possível com os avanços na tecnologia de turbinas hidráulicas.
Para a avaliação do local pode ser considerado um coeficiente, introduzido por
Robert Gibrat, construtor da usina de La Rance, que expressa a razão entre o
comprimento da barragem e a energia produzida. Os sítios mais apropriados para a
implantação possuem os menores valores do coeficiente de Gibrat.
Ao redor do mundo, alguns sítios potenciais foram investigados quanto à
implantação do aproveitamento de energia das marés utilizando o esquema de barragem.
A Tabela 2.3 enumera alguns sítios potenciais ao aproveitamento maremotriz.
25
Estudos mais profundos foram realizados para elaboração dos projetos de La
Rance e Aber-Wrac’h (França), Severn e Mersey (Reino Unido), San José e Cabo Três
Puntas (Argentina), Baía de Fundy (Canadá), Passamaquoddy (EUA), Kimberleys
(Austrália), Kyslaya, Mezen e Tugur (Rússia), rio Colorado (México), Jiangxia (China),
Duguardani (Índia), Bacanga (Brasil) e Sihwa (Coréia do Sul) (Charlier, 2003, WEC,
2004).
A seguir, são descritas as principais realizações e projetos de aproveitamnetos
maremotrizes ao redor do mundo.
La Rance, França
Dentre as realizações ao redor do mundo, a maior usina maremotriz de caráter
comercial é de La Rance, localizada na região da Bretanha, França. A usina aproveita o
potencial do estuário do rio Rance e foi comissionada em 1966, materializando várias
iniciativas propostas anteriormente. A região da Bretanha houvera sido observada em
relação ao aproveitamento das grandes marés que lá existem. Desde o século XII,
Tabela 2.3: Sítios potenciais para o aproveitamento maremotriz (Fonte: WEC, 2004)
26
diversos moinhos de maré funcionaram neste litoral, porém somente em 1921, surgiu a
iniciativa de Gerard Boisnoer para a conversão da energia do estuário de La Rance.
Uma medida importante, para a viabilização dos projetos de energia das marés
nesta região, foi a criação da Sociedade de Estudos para Utilização das Marés (SEUM),
em 1943. Posteriormente, a sociedade foi absorvida pela Eletricité de France (EDF).
Somente em 1952, houve a permissão por parte do governo francês para a construção da
usina. Sua construção demorou cerca de 6 anos, de 1961 a 1966, quando foi inaugurado
pelo então presidente Charles de Gaulle e, em 1967, entrou em operação a última
unidade da usina.
A potência nominal da usina de La Rance é de 240 MW e as alturas de maré no
estuário alcançam 13,5 metros (Figura 2.12). A usina está localizada entre a ponta de
Briantais, na margem esquerda do estuário, e a ponta de Brebis, na margem direita.
Neste lugar, o estuário tem uma largura de 740 m, que é o comprimento da barragem.
Esta ainda possui uma auto-estrada que liga as cidades de Dinard e Saint-Malo, uma
eclusa de navegação na ponta de Brebis e um dique, responsável pelo fechamento da
usina com a ilha Chalibert. A casa de força é equipada com 24 unidades geradoras, cada
uma com 10 MW de potência.
O rio Rance é um pequeno rio de cerca de 100 km que desemboca no canal da
Mancha, onde o seu estuário é bastante influenciado pelo prisma de maré. A usina foi
construída a 4 km da desembocadura, onde o leito do rio é constituído por um granito de
qualidade média suficiente para suportar as obras civis (Villalba, 1997).
Figura 2.12: Usina maremotriz de La Rance, França – localização e imagem aérea
27
A barragem é composta por uma eclusa, a usina, um dique de fechamento e uma
barragem móvel. A usina, propriamente dita, tem extensão de 386 metros de
comprimento, onde estão localizados os 24 grupos geradores (Figura 2.13). Em seguida,
um dique de 164 metros realiza o fechamento da usina até a ilha Chalibert. Na margem
direita, está localizada uma barragem móvel de 115 metros composta de seis
vertedouros-orifícios dotados de comportas tipo vagão de 15 x 10 metros. A capacidade
de vertimento para um desnível de 1 metro entre o mar e o reservatório é de cerca de
5.000 m³/s.
Os grupos geradores são equipados com turbinas bulbo (Figura 2.14), um tipo de
turbina especialmente desenvolvido para o aproveitamento de La Rance. Tais turbinas
têm a característica de serem reversíveis, por isso podem operar em ambos os sentidos
de geração e também são duplamente ajustáveis nas pás e no distribuidor, o que garante
a compensação da variação da vazão e da carga hidráulica. Essas unidades ainda podem
ser usadas como bombas e como órgãos descarregadores nos dois sentidos de
escoamento.
O projeto das unidades geradoras iniciou-se em 1951, cuja idéia inicial
constituía-se de uma turbina Kaplan de eixo vertical com o gerador solidário a turbina
Figura 2.14: Turbina bulbo empregada na usina de La Rance
Figura 2.13: Barragem da usina maremotriz de La Rance
28
em um nível acima daquele máximo alcançado pela água. O obstáculo encontrado nesta
configuração era a necessidade de fundir a roda Kaplan, desde que se desejava aumentar
a velocidade de rotação, até uma profundidade incompatível com a coluna de água
existente para evitar a cavitação. Com a adoção das turbinas bulbo, o gerador está
debaixo da água protegido por uma carcaça e o seu eixo é horizontal, que desta forma,
eliminam os problemas encontrados anteriormente (Villalba, 1997, Eletrobrás, 1980).
O funcionamento da usina é descrito na Figura 2.15.
Quando a maré está baixa, o nível de água do reservatório é o mesmo do lado
externo, as comportas são fechadas até que o desnível entre o mar e o reservatório seja
suficiente para operarem os grupos geradores. No nível máximo da maré, os grupos
geradores param de funcionar até que o nível do mar baixe o suficiente para haver
geração no sentido inverso, isto é, reservatório-mar.
A construção da usina foi realizada inteiramente a seco, para tanto era necessário
interromper o fluxo de água entre o rio e o mar, estimado em cerca de 18.000 m³/s. A
solução encontrada foi a utilização de caixões cilíndricos de concreto armado. Esta
compreendeu três etapas: o ensecamento de uma área na margem esquerda para a
construção da eclusa, outra área na margem direita para a barragem com comportas e
uma grande área para a central hidrelétrica e o dique de fechamento, o qual utilizou as
rochas provenientes da escavação da central.
(a) Níveis de água no estuário e mar (b) Potência instantânea Figura 2.15: Funcionamento da usina de La Rance
(a)
(b)
29
A construção da eclusa procedeu-se de maneira mais simples, através de um
muro de concreto erguido durante a baixamar, que possibilitou a execução dos trabalhos
a seco. Para a construção tanto da barragem como da central, utilizou-se um sistema de
ensecadeiras compostas por caixões cilíndricos de concreto armado. Posteriormente, as
ensecadeiras da grande área central apresentaram problemas de instabilidade, os quais
foram vencidos pela união de cada dois caixões vizinhos e preenchimento dos espaços
entre eles com pranchas de concreto armado (Villalba, 1997).
Em março de 1966, a usina estava concluída, sendo inaugurada em novembro
pelo presidente da república Charles de Gaulle. Acreditava-se na época que a usina
poderia ser a pioneira de uma solução contrária à proliferação da energia nuclear. O
custo de construção da usina foi de 617 milhões de francos, equivalentes hoje a 534
milhões de euros. O custo de produção de 1 kWh é avaliado em 12 centavos de euro
(Techno-science, 2007).
Kislaya Guba, Rússia
No litoral da antiga União Soviética, devido ao grande potencial maremotriz,
estimado em 210 milhões de GWh/ano (Charlier e Justus, 1993), sempre houveram
iniciativas para projetos de usinas que aproveitassem este potencial. O primeiro projeto
neste sentido, remonta à década de 1940, e consistia na instalação de uma central
maremotriz de 1,3 MW em Kislaya Guba, perto de Murmansk, no mar de Barents.
Entretanto, somente na década de 1960, após o crescimento da demanda por energia na
União Soviética européia, decidiu-se implantar uma usina piloto com vistas a futuros
aproveitamentos desta fonte (Figura 2.16).
Figura 2.16: Usina piloto de Kislaya Guba – localização e fotografia
30
O projeto da usina piloto foi desenvolvido pela equipe de Bernshtein para a baía
de Kislaya, empregando turbinas bulbo de eixo horizontal instaladas em caixões de
concreto armado. A escolha do local foi condicionada à pequena largura da baía, entre
30 e 50 m, com o propósito de reduzir as obras civis, uma vez que se tratava de uma
usina piloto. A altura de marés neste local varia entre 1,1 e 3,9 m e a área do
reservatório formado é de 1,1 km², possuindo profundidade média de 3 m e duas
grandes depressões de 36 m, que permitem um razoável volume de armazenamento.
Na construção da usina, foram empregados caixões flutuantes de concreto
armado, nos quais os equipamentos eletromecânicos são instalados, previamente, em
áreas de montagem e, posteriormente, transportados para o local de sua utilização.
Embora o potencial teórico da baía de Kislaya tenha sido estimado em 2 MW para a
maré média de 2,3 m, das 5 unidades de 400 kW previstas, somente uma foi instalada,
pois os engenheiros russos consideravam suficiente para fins experimentais da usina
piloto. A usina possui 36 m de largura, 18 m de comprimento e 15 m de altura. As
alturas de maré são de 9 a 13 m e a altura de queda é de somente 1,52 m. A turbina
bulbo é reversível e possui 400 kW de potência com diâmetro do rotor de 3,3 m .
O principal objetivo da implantação da usina maremotriz de Kislaya era que esta
possibilitasse o desenvolvimento dos estudos sobre o aproveitamento da energia das
marés, propiciando conhecimento para as futuras aplicações. Para tanto, a usina, após a
sua construção, prosseguiu sendo monitorada através de medições e controle nos
diversos equipamentos que a compunham. Desde a implantação da usina de Kislaya, os
soviéticos e seus sucessores atuais vislumbram novas pesquisas sobre o aproveitamento
energético das marés. Projetos de pesquisa para usinas comerciais no golfo de Kola e na
baía de Mezen foram desenvolvidos, como também nas baías de Penzhinsk e Gizhiga,
com o propósito de fomentar a industrialização da Sibéria Ocidental (Charlier e Justus,
1993).
Annapolis Royal, Canadá
Por possuir as maiores amplitudes de maré observadas ao redor do mundo, a
baía de Fundy sempre despertou interesse para o aproveitamento deste potencial. A
região já era conhecida por seu potencial de marés, tendo sido estabelecido pelos
colonizadores franceses, o primeiro moinho de maré do continente americano em 1607.
31
Todavia, estudos para a conversão da energia maremotriz em eletricidade ocorreram a
partir de 1944, quando foi proposto um projeto ligando os rios Petitcodiac e
Memramcook, através de um canal, formando um esquema de reservatório duplo.
Nas décadas seguintes, outras iniciativas foram feitas, uma vez que o projeto
anterior foi abandonado por ter sido considerado anti-econômico. Posteriormente, na
década de 1960, 23 localidades na baía de Fundy foram analisadas com vistas à escolha
do local mais viável para instalação de uma usina. Três lugares foram selecionados, o
primeiro na baía de Shepody, outro na bacia de Cumberland e o último na baía de
Cobequid. O monitoramento desses três locais foi conduzido por um órgão formado
pelos governos do Canadá, New Brunswick e Nova Scotia, e finalizado em 1972.
Entre 1975 e 1979, os custos de implantação de usinas maremotrizes foram
confrontados com a utilização de outras fontes de energia. O resultado desses estudos
conduziu à adoção do sistema maremotriz por ser economicamente mais competitivo,
embora tenha um alto custo inicial de implantação. Tais custos iniciais necessitariam da
participação dos governos envolvidos no projeto (Charlier e Justus, 1993, Díez, 2002).
A usina de Annapolis Royal está localizada no rio Annapolis, afluente da baía de
Fundy, numa área de 0,08 km². Sua barragem e vertedouro estão instalados a partir da
ilha Hog e foram construídos, na década de 1960, para a proteção de áreas agrícolas
sujeita a inundações provocadas pela maré. As alturas de marés no local variam entre
4,4 e 8,7 m e a sua potência nominal é de 20 MW. A barragem de enrocamento tem 225
m de comprimento, 60 m de largura e 18 m de largura da crista. O vertedouro possui
duas comportas de 9,2 m x 7,3 m e uma passagem para peixes com 3 m de largura por
Figura 2.17: Usina piloto de Annapolis Royal e potencial da baía de Fundy
32
7,3 m de altura, numa elevação de 1,83 m acima das comportas. A capacidade de
vertimento, nas marés baixas, é de 500 m³/s pelo vertedouro e de 80 m³/s pela passagem
dos peixes (Eletrobrás, 1981).
As turbinas empregadas na usina são do tipo Straflo, um tipo de turbina de baixa
queda desenvolvida alguns anos antes e instalada em hidrelétricas na Áustria, Bélgica e
Suíça. A principal inovação consiste na montagem dos pólos geradores na periferia do
rotor da turbina, tornando-a compacta e aumentando a seção de escoamento. As turbinas
Straflo, utilizadas em Annapolis, possuem eixo horizontal de 7,6 m de diâmetro e
trabalham em simples efeito. Devido à sua compacidade, através da conexão turbina-
gerador, os custos de instalação da casa de força são substancialmente reduzidos (Figura
2.19).
A casa de força tem 25 m de largura e 46,5 m de comprimento, a tomada de água
tem dimensões de 15,5 m x 15,5 m, quadrada na entrada passando a redonda no
distribuidor. A usina funciona em simples efeito e simples reservatório, condição
requerida desde a fase de estudos para a redução dos custos de construção. Devido ao
êxito da construção de Annapolis Royal, o esquema de simples efeito e simples
Figura 2.18: Detalhe da casa de força da usina piloto de Annapolis Royal
Figura 2.19: Turbina Straflo utilizada em Annapolis
33
reservatório se configurou como o esquema a ser adotado em futuros projetos de usinas
maremotrizes em detrimento de outros mais complexos.
Durante o enchimento do reservatório, as turbinas não geram energia, atuando
como orifícios para permitir a passagem da água. Quando o reservatório chega ao seu
nível máximo, as comportas e turbinas são fechadas e permanecem assim até que o
desnível entre o mar e reservatório seja de 1,4 m. A partir de então, as turbinas entram
em funcionamento. A geração pára, novamente, quando a altura de queda disponível é
insuficiente, as turbinas são fechadas para manter o nível do reservatório constante até
que o mar possa voltar a enchê-lo, repetindo o ciclo.
Pequenas usinas maremotrizes na China
Diversas pequenas usinas têm sido construídas na China ao longo das últimas
décadas, que por muitas das vezes não são consideradas pelo fato de não existirem
informações concisas sobre elas ou por produzirem quantidades modestas de energia.
Charlier (2004) estima existirem 128 centrais em operação atualmente, totalizando 7,6
MW de potência instalada. Na província de Zhejiang, a mais promissora para o
aproveitamento da energia maremotriz, foi instalada uma pequena usina com um único
grupo gerador de 40 kW, em 1959. Já em 1970, seis usinas foram implantadas em
Zhejiang, Jiangsu e Shandong, totalizando 1,9 MW de potência instalada.
A maior usina, Jiang Xia foi construída em 1980, em Wen Lin, província de
Zhejiang. Trata-se de uma usina de duplo efeito, composta de seis grupos geradores, a
primeira unidade de 500 kW, colocada em operação em 1980, a segunda de 600 kW em
1984 e da terceira a quinta cada de 700 kW, já estavam operando em 1985, totalizando
3,2 MW. A altura de queda utilizada na central é de 8,4 m.
Jiang Xia foi instalada reutilizando estruturas de um antigo projeto de drenagem,
como, por exemplo, a estrutura de tomada de água com cinco aberturas de 4,2 m de
largura por 3,3 m de altura, controlada por comportas de concreto. Por este motivo, o
nível do reservatório é restrito a 1,2 m, acima do qual, uma área de 3,8 km² fica
protegida das inundações e é utilizada para o plantio de laranja, cana-de-açúcar, algodão
e arroz. A região inundada pela maré é de 1,2 km² e é usada para a cultura de ostras e
peixes.
34
Reino Unido
O Reino Unido, em virtude das feições morfológicas de seus litorais, sempre
acreditou no mar como fonte de recursos naturais e energéticos. As iniciativas de
projetos maremotrizes remontam ao século XIX, quando foi proposto em 1849, o
barramento do rio Severn, para melhoria na navegação e prevenção de enchentes. Outro
projeto foi proposto em 1918, pelo ministério dos transportes, para a construção de uma
usina de eletricidade.
Os maiores potenciais de energia das marés no Reino Unido estão localizados no
oeste da Inglaterra e no país de Gales, devido às grandes amplitudes ali encontradas
(Elliot, 2004). Em contrapartida, a Escócia por possuir modesto potencial em virtude de
pequenas amplitudes de maré, apresenta grandes possibilidades para o aproveitamento
de energia das correntes, favorecido pelo seu litoral recortado.
Caso todos os locais favoráveis a implantação de projetos maremotrizes fossem
aproveitados, a energia gerada no Reino Unido seria de aproximadamente 53 TWh/ano,
correspondentes a 14% da energia consumida pelo país em 2002. Deste total, 90% de
energia poderia ser obtida em apenas oito localidades, o que, obviamente, sempre atraiu
as atenções dos pesquisadores britânicos em relação à composição de sua matriz
energética.
O local mais promissor é o estuário do rio Severn, onde as marés alcançam 11
metros. O seu potencial maremotriz é estimado em 17 TWh/ano. Outras regiões como
Wash, Mersey, Solway Firth, baía Morecambe e Humber, com potências superiores a
500 MW, poderiam produzir quantidades bastante significativas para o abastecimento
do Reino Unido. Além disso, alguns estuários menores também receberam estudos de
viabilidade.
O projeto de barragem no rio Severn, de 1918, tinha como objetivo a geração de
eletricidade, porém apresentou-se proibitivo face ao preço baixo do carvão praticado na
época. Em 1943, uma comissão de estudos propôs a construção de uma usina em Severn
com 800 MW de potência instalada, preocupada com a escalada do preço do carvão.
Entretanto, novamente, o carvão se mostrou como melhor opção, valendo na época £
3,90 a tonelada contra o equivalente em energia maremotriz de £ 4,65 (UN apud Clark
et al., 2003).
35
Nova comissão foi formada em 1978 e estava incumbida de investigar meios de
produção de energia no estuário do Severn, analisando apenas a viabilidade técnica da
construção de uma barragem. O esquema proposto pela Comissão da Barragem de
Severn indica a construção da barragem entre Somerset e Glamorgan, resultando num
comprimento de 16 km. A escolha do local de implantação foi condicionada ao mínimo
impacto ambiental, menor risco de construção e viabilidade econômica. Assim sendo, o
reservatório formado teria 500 km² e a geração seria em simples efeito na vazante.
A usina se constituiria de 216 unidades geradores a serem dispostas na parte
central da barragem, cada uma com gerador de 40 MW de potência, totalizando 8640
MW. Adicionalmente, a barragem será composta de eclusas de navegação, uma vez que
a região é uma das rotas mais importantes no Reino Unido. A vida útil considerada da
usina é de 120 anos. O projeto também inclui o modo de bombeamento, o que garantiria
maiores níveis no reservatório. A Figura 2.20 apresenta o projeto da barragem de
Severn.
Em 2002, um estudo formal com o objetivo de revisar o projeto concluído em
1989, foi conduzido pela Energy Technology Support Units. O projeto de 1989 houvera
sido abandonado por questões econômicas, como alto custo de investimento, longo
período de construção e baixo fator de carga (21-24%) e também por oposição de
grupos ambientalistas e cidadãos locais (Clark et al., 2003). O futuro programa de
energia de maré no Reino Unido considerará uma pequena usina piloto, para
demonstração de tecnologia e avaliação dos efeitos ambientais, previamente à
implantação de maiores usinas.
Figura 2.20: Projeto de barragem no rio Severn (Charlier, 1993)
36
Argentina
O litoral sul da Argentina, entre a Terra do Fogo e o golfo de San Matias possui
alturas médias de maré superior a 7,5 m, e algumas entre as maiores do mundo que
podem alcançam até 13 m de altura (WEC, 2004).O interesse no aproveitamento da
energia das marés é evidente e está relacionado com o suprimento de eletricidade para a
Patagônia, visando o seu desenvolvimento. A primeira iniciativa data de 1928, quando
uma comissão de estudos sobre as marés patagônicas publicou cinco projetos, dos quais
o maior na baía de San José teria 1.000 MW de potência ou 3.650 GWh/ano, e
totalizava 9.750 GWh de produção anual de energia.
Na década de 1950, outra iniciativa de grande porte considerava o esquema de
reservatório duplo, utilizando os golfos Nuevo e San José conectados por um canal de 8
km e beneficiando-se do atraso de fase das marés existente entre eles. Já, o projeto
Valdez, de 1975, contemplava a utilização de turbinas tubulares e a construção da
barragem através do emprego de caixões modulares. A casa de força de 5.300 MW seria
instalada no canal situado no istmo que conecta ambos os golfos. Embora o projeto não
tenha sido implementado, os seus custos podem ser competitivos considerando
pequenas taxas de desconto. Por fim, opiniões argentinas acreditam que o
aproveitamento das marés no litoral atlântico pode constituir-se numa fonte
economicamente viável de geração de energia (Charlier e Justus, 1993).
Coréia do Sul
As regiões pertencentes ao litoral coreano, para as quais existiu um estudo mais
aprofundado sobre o aproveitamento maremotriz, foram a baía de Cheonsu, em 1975,
baía de Garolim, em 1976, 80 e 81 e baía de Tuncheon, em 1978. Proposições para a
implantação de uma usina piloto foram realizadas como uma etapa intermediária à
construção de usinas comerciais em grande escala (Charlier e Justus, 1993).
Recentemente a Korean Water Company (KOWACO) realizou estudos de
viabilidade para o projeto de uma usina maremotriz a ser instalada em Sihwa, litoral
oeste da Coréia do Sul. A usina utilizaria uma barragem existente construída com o
objetivo de desenvolver áreas industriais e agrícolas e assegurar água para irrigação,
além de proteger tais áreas contra a inundação provocada pela variação das marés. A
37
energia gerada pela usina poderia suprir a demanda induzida pelas áreas ocupadas do
entorno do reservatório, formado pela própria barragem.
O funcionamento da usina sugerido no projeto é o de simples efeito geração na
enchente, por causa da obrigatoriedade de manter o nível do reservatório constante ou
inferior, de forma a evitar danos às áreas ocupadas. A função adicional de
bombeamento foi desconsiderada para o controle do nível do reservatório, uma vez que,
as comportas e turbinas poderiam desempenhar suficientemente esta tarefa. O porte da
usina foi dimensionado em função das diversas variáveis envolvidas no processo,
especialmente, o suprimento da demanda ocasionada pelas áreas ocupadas (Figura
2.21). Outro objetivo importante do projeto será a melhoria da qualidade da água do
reservatório, o qual se encontra contaminado pela descarga de materiais poluentes dos
recentes parques industriais e áreas agrícolas (Kim et al., 2004).
Figura 2.22: Esquema geral da usina do projeto Sihwa (Fonte: Kim et al., 2004)
Figura 2.21: Localização do projeto da usina maremotriz de Sihwa na Coréia do Sul
Sihwa, Coréia do Sul
Vista do mar
Vista em planta
Vista do reservatório
38
Em relação aos grupos geradores, o projeto contempla o emprego das turbinas
bulbo, por satisfazer as condições de uso em maremotrizes, como características de boa
operação e eficiência em operações de baixa queda e flutuação na geração, redução no
tamanho das usinas e consequentemente no seu custo e proteção contra corrosão
marinha. A disposição da usina consiste de 12 unidades geradoras do tipo bulbo de
potência de 21 MW e 6 unidades vertedouras.
Austrália
A região mais promissora para a extração da energia das marés está localizada
na porção noroeste da Austrália, onde existem reentrâncias e baías com grandes
amplitudes de maré, são exemplos a enseada de Walcott, baía Secure, bacia de Saint
George e King Sound. Por ouro lado, a geração de energia em larga escala não é
vantajosa, pelo fato desses locais estarem situados numa região remota, acarretando no
encarecimento da transmissão (WEC, 2004).
Os estudos de tecnologias de energia das marés no noroeste da Austrália têm
como principal principal objetivo a redução ou substituição da geração a diesel existente
(Hydro Tasmania, 2001). No fim da década de 1990, a Tidal Energy Australia elaborou
um projeto para a exploração de Doctor’s Creek em King Sound, perto da cidade de
Kimberleys em Derby. A usina teria 48 MW de potência, operando com reservatório
duplo e geração em duplo efeito. As turbinas seriam instaladas em um canal que uniria
as bacias inferior e superior. O funcionamento na preamar ocorreria pela admissão da
água no reservatório superior e na baixamar pela liberação da água do reservatório
inferior, de forma a produzir uma saída contínua de energia.
Embora a população de Derby tenha sido receptiva ao projeto, o governo da
Austrália Ocidental favoreceu o suprimento através da energia a diesel. A empresa Tidal
Energy está desenvolvendo outro projeto similar na Austrália Ocidental para uma
empresa mineradora. Outras empresas, como a Hydro Tasmania, também realizam
estudos de viabilidade técnica e econômica, contemplando inclusive novas tecnologias
como as turbinas Hidromatrix (VATech) e Straflo (ALSTOM) e conversores de
correntes de maré (HydroTasmania, 2004).
39
Brasil
No Brasil, as maiores amplitudes de maré ocorrem no litoral norte, notadamente
nos estados do Amapá, Pará e Maranhão. As alturas de maré nesta região alcançam 11
m na foz do rio Mearim – Amapá e 7 m na baía de São Marcos – Maranhão. O primeiro
projeto conceptual elaborado foi o da usina do Bacanga, em São Luís no estado do
Maranhão. Este projeto de 1970 foi influenciado pela contrução de La Rance, tanto
pelos seus aspectos históricos, pois representou a utilização de uma fonte alternativa em
larga escala, como tecnológico, pelo desenvolvimento de turbinas e métodos
construtivos (Lima et al., 2002).
A barragem no estuário do Bacanga foi iniciada em 1968 e tinha como objetivos
diminuir a distância de São Luís ao porto de Itaqui e urbanizar áreas inundáveis
marginais ao rio. Outras propostas de usinas maremotrizes na região da baía de São
Marcos foram realizadas nas décadas seguintes, embora nada tenha sido implantado,
geralmente em virtude da carência de viabilidade econômica e, algumas vezes,
tecnológica. Como exemplo, as turbinas seriam importadas e não adequadas ao sítio de
interesse.
Além do mais, o contexto da época fazia com que os projetos fossem guiados
por baixos custos unitários de implantação, o que justificava a construção de enormes
centrais hidrelétricas, equipadas com turbinas de grande potência. Em oposição, os
estudos ambientais eram mais restritos comparados com os atuais e, dessa forma,
estimulavam os aproveitamentos em locais com grande potencial hidroenergético em
detrimento daqueles mais modestos. O crescente interesse pelas energias renováveis a
nível mundial e nacional configura uma tendência de aproveitamento de sítios
considerados outrora pouco significativos para a geração elétrica e justifica o
desenvolvimento de turbinas para tais aplicações.
A partir de 1977, a Eletrobrás solicitou, a empresas nacionais, estudos sobre o
aproveitamento das marés no território brasileiro e, especificamente, um projeto para a
usina maremotriz do Bacanga. A Sondotécnica, em 1979-80, elaborou diversos estudos
sobre o assunto, entre eles um inventário preliminar contendo 41 baías ao longo da costa
norte do país, de alturas de maré entre 3,7 e 8,0 m com potências teóricas superiores a
60 MW, alcançando 5 GW (Eletrobrás, 1981).
40
Adicionalmente, um projeto conceitual foi elaborado para o Bacanga, definindo
o dimensionamento da usina, o arranjo das obras, determinação da potência instalada e
energia gerada, os equipamento a serem utilizados e o orçamento da obra. Dependendo
do tipo de operação da usina, isto é, simples efeito e duplo efeito, foram estudadas
alternativas de potência instalada de 9 MW a 72 MW. As duas alternativas escolhidas
foram a usina operando em duplo efeito com utilização de 6 turbinas bulbo de 4,5 MW
cada, totalizando 27 MW e operando em simples efeito com 3 turbinas Straflo de 11,3
MW cada, totalizando 34 MW.
Em ambas alternativas, a usina seria instalada na margem esquerda do rio, numa
construção destacada da barragem principal. Uma excavação da ordem de 10 m de
profundidade foi prevista para a instalação dos grupos geradores de diâmetros 5,25 m da
bulbo e 7,70 m da Straflo. A energia anual produzida seria de cerca de 56 milhões de
kWh para a opção bulbo e 60 milhões de kWh para a opção Straflo. Um esquema de
diques, sistemas de drenagem por gravidade e estações de bombeamento foram
planejadas para a proteção dos bairros marginais ao resrvatório. O custo total da usina
para a alternativa das turbinas bulbo foi de Cr$ 3,02 milhões equivalentes a 2.000
US$/kW e para a alternativa Straflo foi de Cr$ 2,94 milhões equivalentes a 1.600
US$/kW, cotação do dólar na época (Eletrobrás, 1980).
Durante os anos de 1973 e 1980, a situação do estuário do Bacanga modificou-se
drasticamente, o que restringiu a implantação do projeto desenvolvido. Dentre as
principais alterações, a inauguração de uma avenida no entorno do reservatório limitou
a subida do seu nível e estimulou a ocupação urbana. A sedimentação comprometeu o
volume de armazenamento de água no reservatório e o padrão de propagação de maré
no estuário. A deteriorização da estrutura da barragem alterou o regime de
funcionamento da barragem, que atualmente funciona como um dique de proteção.
Desta maneira, os volumes de água e alturas de queda para a geração de energia não
estavam mais de acordo com aqueles previstos no projeto e, por fim, resultou na
inviabilidade econômica daquela concepção. (Lima et al., 2002).
Em 2002, a Universidade Federal do Maranhão resgatou os estudos de
aproveitamento do estuário do Bacanga. Todavia nas conclusões de tais estudos, a
universidade descarta a implantação da usina maremotriz , concentrando-se apenas na
recuperação da barragem (Lima et al., 2005).
41
Estados Unidos
À exceção de enseada de Cook no Alaska, os únicos locais identificados com
grande potencial de marés estão localizados na baía de Passamaquoddy, próxima a baía
de Fundy, na fronteira com o Canadá. Em 1927, a General Electric propôs uma planta
que geraria 1,6 bilhões de kWh/ano, a custos muito inferiores do que os atuais. O
projeto na região de Passamaquoddy despertou o interesse dos presidentes Franklin
Roosevelt e John Kennedy. Roosevelt dedicou US$ 7 milhões, em 1935, para a
substituição dos velhos moinhos de maré em operação por uma usina maremotrriz
comercial. Duas barragens foram concluídas em 1936, entretanto, as obras foram
paralisadas quando o Congresso americano desistiu das apropriações.
Nos anos de 1950, o projeto de Passamaquoddy veio à tona novamente. O poder
executivo, representado por John Kennedy, solicitou uma revisão do projeto, mas,
novamente, enfrentou obstáculos colocados pelo congresso. Em 1977, o Departamento
Americano de Estudos Energéticos classificou como economicamente não favorável os
projetos na baía de Passamaquoddy – Maine e enseada Cook – Alaska. Posteriormente,
os estudos continuados sobre a possibilidade do projeto em Passamaquoddy
transformaram-o em um projeto atrativo. Em 1980, um relatório do US Army Corps of
Engineers levantou locais no estado do Maine para o aproveitamento da fonte
maremotriz, como alternativa ao crescimento dos preços dos combustíveis fósseis
(Charlier e Justus, 1993).
Outros países
Evidentemente, projetos conceituais para o aproveitamento da energia das
marés, em países que possuem considerável potencial, vêm sendo desenvolvidos.
Dentre os esquemas propostos, ainda podem ser identificados o golfo de Kutch na Índia,
o rio Colorado no México e Dalupiri nas Filipinas (WEC, 2004).
Transmissão e armazenamento no aproveitamento de energia das marés
Dois grandes problemas aparecem quando a energia das marés de um estuário,
muita das vezes em localidades remotas, é explorada: a transmissão e o armazenamento.
Uma característica inerente a ocorrência de marés adequadas ao aproveitamento é a sua
42
localização nem sempre próxima ao mercado consumidor. Outra característica é o fato
do fenômeno das marés sofrer variações diárias e semanais, com defasagem diária dos
seus picos de preamar e baixamar, o que nem sempre coincide com o pico de demanda.
A transmissão de eletricidade por linhas de alta voltagem pode ser mais barato
do que o transporte de carvão, tornando as explorações near-shore economicamente
competitivas em relação a esse quesito (Charlier, 2003). Os custos de linhas de
transmissão e subestação crescem proporcionais à tensão, por exemplo, tomando-se uma
linha de transmissão de 230 kV como referência, uma linha de 500 kV custa 1,66 vezes,
porém fornece 6 vezes mais capacidade de transporte e uma linha de 8.700 kV custa 2,5
vezes e sua capacidade de transporte é 13,5 vezes. As perdas na transmissão são
reduzidas conforme a voltagem aumenta estimulando o uso de sistemas de alta
voltagem para grandes distâncias. Quando as distâncias excedem 1.000 km, a
transmissão em corrente contínua é mais econômica, sendo que a sua capacidade de
transmissão é 2,6 vezes maior do que em corrente alternada (Charlier, 2003).
O desenvolvimento dos esquemas de transmissão em alta voltagem e corrente
contínua (HVDC) tem influenciado na viabilidade de vários projetos de energia das
marés em áreas remotas (Hammons, 1993). Tais esquemas já são utilizados para
conectar os sistemas elétricos das ilhas da Nova Zelândia e podem possibilitar a
integração de plantas situadas em locais remotos como o Alaska ou Penzhinsk (Rússia).
Quanto ao armazenamento de energia, algumas soluções foram admitidas:
sistemas de ar comprimido, esquemas de múltiplos reservatórios e transformação em
hidrogênio para utilização posterior. Nos sistemas de ar comprimido, a energia gerada
pela usina maremotriz é empregada para a injeção de ar comprimido em depósitos
minerais ou cavidades artificiais criadas para este propósito. Outra forma de reutilização
posterior da energia das marés pode ser obtida através da eletrólise da água, produzindo
hidrogênio e usando-o como combustível durante os picos de demanda (MME, 2007). A
combustão do hidrogênio pode aquecer o ar durante os picos de demanda e a produção
do hidrogênio pode se dar fora dos períodos de pico, de forma que este não necessite ser
armazenado nem transportado.
43
Aspectos Econômicos no aproveitamento de energia das marés
Projetos de usinas maremotrizes possuem alto custo inicial e longos períodos de
construção. As obras de construção civil representam o item mais custoso no orçamento
da usina, o que conduz a um relativo aumento do custo unitário do kW instalado. O
Conselho Mundial de Energia (WEC, 2004) aponta para o valor de £ 1.500/ kW (US$
2.800), enquanto os valores atualizados das construções de La Rance e Annapolis
seriam de € 2.225/ kW (US$ 3.200) e US$ 2.300/ kW (Techno Science, 2007). No
entanto, a melhor forma de comparar usinas é através do seu fator de carga, isto é, a
percentagem de tempo que a usina é capaz de fornecer energia, no caso de maremotrizes
este valor está entre 22 e 35 % (Elliot, 2004).
A construção da barragem está condicionada às características específicas do
local, sendo essa uma das principais razões de não haver economia de escala. Somente
pequenas usinas que tenham curtos períodos de construção podem ser econômicas. Os
altos custos iniciais e os longos períodos de construção fazem com que o projeto seja
sensível à taxa de retorno para o capital investido, quanto menor for a taxa de retorno, o
projeto será menos vantajoso para o setor privado.
O caráter intermitente das usinas maremotrizes, responsável pelo seu baixo fator
de carga, faz com que a escolha por essa fonte nem sempre seja mais adequada do que
uma usina convencional. Por exemplo, o projeto de Severn com 8,6 GW de potência
instalada ofereceria a mesma saída de energia que uma usina convencional de 2 GW
(Elliot, 2004). Em contrapartida, a energia das marés é previsível mantendo uma certa
regularidade a cada ano (a variação anual é menor que 5 %), o que facilita o
planejamento da geração de eletricidade.
Os custos anuais de operação e manutenção destas usinas são extremamente
baixos, por não estarem relacionados com os preços dos combustíveis fósseis, sendo
estimados em 0,5 a 1 % do custo de implantação. A vida útil da usina é, também, uma
vantagem em relação a outras fontes, sendo de 2 a 3 vezes mais longa que nucleares e
térmicas. Os benefícios trazidos em alguns projetos podem ultrapassar os custos de
implantação e operação, como no caso da baía de Fundy (Charlier, 2003).
Especialmente, quando a implantação da usina elétrica está conjugada a outras
facilidades como ocupação de áreas inundáveis, melhorias da navegação, acomodação
de ferrovia ou rodovia sobre a barragem entre outros (Hammons, 1993).
44
Aspectos ambientais no aproveitamento de energia das marés
A energia das marés é uma fonte não poluente e renovável, isto é, não emite
gases ou resíduos ao meio ambiente e configura-se como um recurso inesgotável de
energia. Estima-se que uma usina maremotriz deixa de emitir 1 milhão de toneladas de
dióxido de carbono a cada TWh de energia gerada (Hammons, 1993).
A construção de uma barragem através do estuário causa efeitos significativos
no ecossistema local e nos padrões de propagação da maré. Após a instalação da
barragem, observa-se redução da amplitude da maré no interior do reservatório. No lado
externo da barragem, as correntes de maré perdem intensidade e as condições extremas
de onda tornam-se menos severas (Elliot, 2004). As mudanças no padrão das marés e
correntes, durante a construção e operação da usina, causam sedimentação, por vezes,
alterando a granulometria dos sedimentos. A salinidade e qualidade da água em ambos
os lados da barragem, também, são modificados.
Os estuários são ambientes que envolvem processos complexos, onde há o
encontro da águas interiores com as do mar. Devido às condições de afluxo e influxo do
prisma de maré, o tempo de permanência dos nutrientes é maior em relação ao rio ou ao
próprio mar. Esses fatores contribuem para a diversidade ecológica existente nos
estuários, que, obviamente, é rompida pela criação de um barramento artificial. Os
impactos na vida silvestre, peixes e aves migratórias são evidentes. A zona de intrusão
salina é alterada, contribuindo para o desaparecimento de algumas espécies e o
aparecimento de outras naquele ambiente.
Alguns impactos positivos resultantes da construção da barragem são
considerados nos estudos para a implantação de maremotrizes. Por exemplo, a redução
da turbidez no rio Severn, obtida através da sedimentação induzida pela diminuição da
força das correntes, aumentaria a penetração da luz solar. Para alguns autores como
Charlier e Justus (1993), as usinas maremotrizes afetam menos o meio ambiente do que
as usinas hidrelétricas, uma vez que, não há necessidade de inundações adicionais para a
criação reservatório. Por outro lado, a zona intermarés teria um regime diferente do
natural, ficando submersa a partir do represamento do estuário.
Para o conhecimento das conseqüências ambientais da instalação de barragens
de maré, estudos sobre os processos estuarinos do local em questão são necessários. A
45
avaliação final dependerá da relação entre os impactos positivos e negativos decorrentes
da implantação da usina.
2.5- Teoria das marés
As marés são oscilações rítmicas do nível do mar, causadas pela atração
gravitacional do sol e da lua e rotação da Terra, e, eventualmente por eventos
meteorológicos. A onda de maré carrega consigo grande quantidade de energia, sendo
potencialmente uma fonte de energia para as atividades humanas. A conversão da
energia das marés para uso humano é muito antiga, havendo relatos da época romana
sobre sua utilização para a moagem de grãos. Os aproveitamentos mais recentes de
marés têm como objetivo a conversão da energia hidráulica das marés em energia
elétrica.
Como toda onda, a maré tem altura e período, como mostrado na Figura 3 (o
comprimento de onda depende do período e da geometria do local por onde essa onda se
propaga). Se a onda de maré tem período de aproximadamente 24 horas diz-se que a
maré é diurna e se o período for de aproximadamente 12 horas diz-se que a maré é
semi-diurna. Cada período completo da maré é chamado de ciclo, e num ciclo a maré
apresenta fases. A subida da água é chamada de enchente ("flow" ou “flood”), e a
descida é chamada de vazante ("ebb"). O nível máximo no ciclo é chamado de preamar
("high water") e o nível mínimo de baixamar ("low water").
As marés são causadas por diversos fatores, que podem ser classificados em dois
tipos: a maré astronômica e a maré meteorológica. A maré astronômica se deve a
fenômenos astronômicos, notadamente a força gravitacional da lua e, em menor efeito, a
força gravitacional do sol. A maré meteorológica se deve a fenômenos meteorológicos,
como ventos, pressão atmosférica entre outros.
A maré astronômica deriva principalmente de forças de atração gravitacional
entre os astros que interagem com a Terra. A resultante das forças gravitacional da lua e
do sol e da força centrífuga da Terra (decorrente de sua rotação) é chamada de força
geradora de maré. Esta força tende a ser nula nas proximidades dos pólos e do equador,
ao passo que em latitudes intermediárias ela tende a ser bem significativa. Como
conseqüência, as águas do mar são empurradas em direção ao equador, de acordo com a
teoria de maré de equilíbrio.
46
A teoria da maré de equilíbrio, desenvolvida por Newton em 1686, considera a
força geradora da maré como resultante da atração gravitacional dos astros em razão
direta das suas massas e inversa dos quadrados de suas distâncias. Devido à
proximidade da Lua e a massa do Sol, geralmente apenas os efeitos destes astros na
maré terrestre são admitidos em muitas aplicações.
O fenômeno das marés foi, pela primeira vez, explicado através da teoria da
maré de equilíbrio. Nesta teoria, algumas hipóteses são formuladas. A Terra é
considerada esférica e estática, isto é, não há movimento de rotação e a lua é o único
astro que influencia a maré.
A força centrífuga exercida sobre uma unidade de massa d’água devida à rotação
da Terra pode ser descrita como:
φcos2rFcent Ω= (2.15)
Onde,
Ω é a velocidade de rotação da Terra
r é a distância ao eixo de rotação da Terra
Φ é a latitude
Figura 2.23: Sistema Terra-Lua - Centros de massa
Considerando o sistema Terra-Lua da Figura 2.2, o equilíbrio de forças da Terra
e da Lua pode ser assim descrito:
total
LuaTerraTerraTerra a
MKMaM =2ω (2.16)
total
LuaTerraLuaLua a
MKMaM =2ω (2.17)
Substituindo: LuaTerratotal aaa += (2.18)
aTerra aLua
atotal
ωTerraTerra aM 2ω
total
LuaTerra
aMKM
total
LuaTerra
aMKM
LuaLua aM 2ω
47
Então:
Lua
Terra
totalTerra
MM
aa
+=
1 (2.19)
O período de revolução do sistema Terra-Lua em torno do seu eixo comum pode
ser calculado utilizando as equações acima.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
==
Lua
TerraLua M
MKM
aT1
22 3
πωπ (2.20)
O período de revolução do sistema, calculado a partir da equação acima, é de
27,3 dias, sendo um valor próximo daquele observado de 27,32 dias.
As forças atuantes em uma unidade de massa de água são a força centrífuga, a de
atração da Lua e a de atração da Terra. A força centrífuga tem direção paralela à linha
que une os centros de massa da Lua e da Terra e sentido orientado contrariamente a
Lua. A magnitude da força centrífuga, a partir da equação, é:
Terracent aF 2ω−= (2.21)
Substituindo na equação:
2total
Luacent a
KMF −= (2.22)
A força de atração gravitacional da Lua tem sempre sua direção e seu sentido
orientados para o centro da Lua. A magnitude desta força é:
2'dKM
F LuaLua = (2.23)
A força de atração gravitacional da Terra sobre a partícula de água é
simplesmente a aceleração da gravidade e está orientada para o centro da Terra.
2rKM
gF TerraTerra == (2.24)
48
No sistema da Figura 2.3, o sistema Terra-Lua é apresentado em um plano
coordenado, juntamente com suas respectivas forças de interação. Seja um ponto P na
superfície da Terra, que é atraído pela Terra e pela Lua.
Onde, r é a distância entre o ponto P e o centro da Terra; d é distância entre o centro da Terra e o centro da Lua; d’ é a distância entre o ponto P e o centro da Lua; q é a distância zenital lunar (zênite); MTerra é a massa da Terra; MLua é a massa da Lua; F Lua é a força exercida pela Lua sobre o ponto P; F Lua/Terra é a força exercida pela Lua sobre a Terra; F cent é a força exercida pela Terra sobre o ponto P.
As equações das forças exercidas em uma partícula de água são:
2'dKM
F LuaLua = 2d
KMF Lua
cent −= 2rKM
F TerraTerra = (2.25 a,b,c)
Decompondo nas componentes radial e tangencial:
TerraLuacentr FFFF ++= βϑ coscos (2.26 a)
βϑ sencos Luacentt FFF += (2.26 b)
Substituindo:
222 cos'
cosr
KMd
KMd
KMF TerraLuaLua
r ++−= βϑ (2.27 a)
βϑ sen'
cos 22 dKM
dKM
F LuaLuat +−= (2.27 b)
Figura 2.24 – Sistema Terra-Lua - Forças de interação
49
Considerando a relação trigonométrica do triângulo 'opo) :
ϑαβ sen'
sensendd
== (2.28 a)
2/122
22/12 )sen
'1()sen1(cos ϑαβ
dd
−=−= (2.28 b)
E também:
ϑcos2' 222 rddrd −+=
ϑcos21
11'1
222
dr
drdd
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
=
2/1
2
cos21
11'
1
−
⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
=
ϑdr
drdd
(2.29)
Expandido em série até o termo de 2º ordem:
22
2
2
2
2
cos283cos2
211
'1 εϑϑ +⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−=
dr
dr
dr
dr
d
222
2
3
3
4
4
2
2
cos23cos
23
83cos
211
'1 εϑϑϑ ++−++−=
dr
dr
dr
dr
dr
d (2.30)
Desprezando os termos cúbicos e superiores:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=−−
21cos
2311cos
'1 2
2
2 ϑϑdr
dddr
d (2.31)
Voltando as equações (2.26 a) e (2.26 b), as forças radial e tangencial serão:
22
3 31cos
3r
KMd
rKMF TerraLua
r +⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −= ϑ (2.32 a)
( )ϑ223
3 send
rKMF Lua
t −= (2.32 b)
Considerando que o primeiro termo na equação da força radial (2.18 a) é da
ordem do décimo milionésimo do segundo termo, podemos desprezá-lo:
2rKM
F Terrar = (2.33)
50
Esta aproximação significa que a única ação considerada no sentido radial é a
força de gravidade da Terra. O fenômeno das marés, caracterizado pela sobre-elevação
dos mares, não é causado pela força gravitacional radial da Lua. Entretanto, este é
provocado pelo efeito da componente tangencial, que provoca circulação das massas de
água situadas em grandes latitudes, onde a força geradora de maré é maior, para outras
próximas a Linha do Equador, onde esta força é menor.
A formação das marés está associada a componente tangencial, a quem apenas
se opõe a viscosidade e o atrito. A expressão da força geradora de maré foi desenvolvida
para um ponto no equador terrestre, a Lua alinhada com o plano do equador, isto é, com
declinação zero e a distância zenital da Lua é igual ao seu ângulo horário local.
A força tangencial sofrerá variações para diferentes pontos da superfície terrestre
e para diferentes declinações e afastamentos da lua. Em outras palavras, a latitude λ do
ponto em questão, a declinação δ da Lua e o ângulo horário φ da Lua no instante
considerado devem ser considerados no cálculo da força. Por esta razão, o fenômeno
das marés tem um caráter periódico, que depende dos movimentos periódicos de
revolução dos astros, notadamente o sistema Terra-Lua-Sol.
Retomando a expressão da componente tangencial da força geradora de maré,
seria útil decompô-la nas direções norte e leste do globo terrestre, uma vez que sua
orientação varia ao longo da superfície da Terra.
Então:
Da Figura 2.4, as expressões, para as componentes norte e leste da força
tangencial, ficam:
Adr
MM
grFTerra
astrotn cos2sen
23 3
ϑ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−= (2.34 a)
Figura 2.25 – Decomposição da força tangencial nas direções norte e leste
51
Adr
MM
grFTerra
astrote sen2sen
23 3
ϑ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−= (2.34 b)
A distância zenital Z do astro em questão pode ser expresso como uma função
periódica envolvendo sua declinação δ, seu ângulo horário φ e sua latitude λ.
Tomando o triângulo esférico PZA:
φδδλδϑ cos)90sen()90sen()90cos()90cos(cos −°−°+−°−°=
Ou φλδλδϑ cossencossensencos += (2.35)
Então, o potencial pode ser escrito:
[ ]φδφδδ 2coscoscos2)sen31(23 2
322
1
3
ksinkkdr
MM
grVTerra
astroastro ++−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= (2.36)
k1, k2 e k3 são constantes.
A equação expressa desta forma revela os três períodos nos quais os efeitos da
maré se manifestam: o primeiro termo corresponde ao longo período, que representam
as variações da declinação do astro; o segundo dependente do cos φ é diurno, isto é, de
período próximo ao dia lunar ou solar; o terceiro termo dependente do termo cos 2φ é
semidiurno, de período correspondente a meio dia lunar ou solar. A amplitude dos
termos varia lentamente com a variação da declinação δ e o potencial V varia com a
distância d entre o astro e a Terra.
De forma análoga, o desenvolvimento do potencial de força exercido pelo Sol
resultará em:
Figura 2.26 – Esfera celeste: posição relativa da Lua
52
22
3
2
31cos
23
rKM
drKM
V Terra
Sol
SolSol +⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −= τ (2.37)
dSol é a distância entre o centro da Terra e o centro do Sol;
t é a distância zenital solar (zênite);
MSol é a massa do Sol.
O potencial total devido à ação do Sol e da Lua será:
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −=
31cos
31cos
23 2
32
32 φϑ
Sol
SolLua
dM
dM
KrV (2.38)
A constante da gravitação K pode ser substituída, usando a Lei da Gravitação
Universal:
2rM
Kg Terra= (2.39)
Eliminando K:
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
31cos
31cos
23 2
32
3
τϑSolTerra
Sol
Terra
Lua
dr
MM
dr
MM
grV (2.40)
No desenvolvimento da teoria das marés, apenas os efeitos gravitacionais da Lua
e do Sol são considerados relevantes na gênese da maré. Os movimentos destes astros
imprimem sua periodicidade ao fenômeno das marés. A localização do ponto na
superfície terrestre associada a posição dos astros ao longo do tempo acarretam em três
diferentes termos na expressão da força geradora de maré: o de longo período, o diurno
e o semidiurno. Uma expressão completa para calcular a força da maré deve conter o
maior número possível de movimentos astronômicos.
Na Tabela 2.4 estão listados os principais movimentos astronômicos do Sol, da
Lua e da Terra com seus respectivos períodos de revolução.
53
Fenômeno Período Descrição Dia sideral 0,9972 dia Em relação às estrelas fixas Dia lunar 1,0350 dia Em relação à Lua Mês nodal 27,2122 dias Ciclo norte-sul
Mês tropical 27,3216 dias Revolução sideral da Lua Mês anomalístico 27,5546 dias Revolução anomalística
Mês sinódico 29,5306 dias Revolução sinódica Ano tropical 365,2422 dias Revolução sideral do Sol Perigeu lunar 8,85 anos Revolução do perigeu lunar Nodo lunar 18,61 anos Retrogradação dos nodos
Precessão dos equinócios 20.900 anos Revolução do perigeu solar (periélio)
O potencial pode ser reescrito como uma série de funções puramente periódicas.
)2cos( nn
n TtAV φπ −Σ= (2.41)
Onde as amplitudes An e os períodos Tn principais estão na Tabela 2.5.
As marés astronômicas podem ser previstas por uma análise harmônica dos
chamados componentes harmônicos, que consiste num somatório que leva em
consideração os períodos e as intensidades desses componentes. Já se tem registro de
mais de 390 componentes que influenciam as marés. Na tabela 2.4 estão indicados os
principais componentes harmônicos.
Componente Símbolo Argumento Velocidade Período Peso Principal Lunar M2 255,55 28,98 12,42 100 Luni-Solar Diurna K1 165,55 15,04 23,93 58,4 Principal Solar S2 273,55 30 12 46,6 Principal Lunar Diurna O1 145,55 13,94 25,85 41,5 Principal Solar Diurna P1 163,55 14,96 24,07 19,4 Grande Elíptica Lunar N2 245,65 28,44 12,66 19,2 Luni-Solar Semi-Diurna K2 275,55 30,08 11,97 12,7
Tabela 2.5: Principais componentes harmônicos que influenciam a maré
Tabela 2.4: Movimentos astronômicos
54
A amplitude da maré varia com o tempo em função da periodicidade e respectiva
intensidade dos fenômenos envolvidos. A posição relativa entre sol, lua e Terra interfere
na intensidade da maré, Figura 3. Quando a lua está alinhada com o sol, os efeitos de
força gravitacional se somam, causando maiores amplitudes de maré, sendo chamada de
maré de sizígia (“spring tide”). Quando o sistema lua-Terra-sol faz um ângulo reto, as
suas forças gravitacionais se subtraem, reduzindo o efeito da maré, esta é chamada maré
de quadratura (“neap tide”).
Outros efeitos astronômicos de maior período também influem na amplitude da
maré. A órbita da lua não é circular, mas elíptica, fazendo com que, ao longo de um
ciclo lunar de 28 dias, a lua pode estar mais próxima (perigeu) ou mais afastada
(apogeu) da Terra. Essas diferenças podem resultar em variação de até 40 % na força
geradora de maré. Efeito similar acontece em relação à órbita terrestre em torno do sol,
que também é elíptica, o que resulta em maior proximidade do sol (periélio) ou em
maior distanciamento do sol (afélio ou apoélio) ao longo do ano.
Além das posições relativas entre a lua, o sol e a Terra, as declinações dos dois
primeiros astros interferem na intensidade da força geradora das marés. Todas essas
características astronômicas aplicadas à latitude de um ponto da Terra, influenciarão na
equação 2.28, afetando a intensidade das marés.
A Teoria da Maré de Equilíbrio é restrita as suposições realizadas no seu
desenvolvimento. Esta teoria considera a Terra como um bulbo de água, não
considerando os efeitos da presença das massas continentais e do fundo dos oceanos que
perturbam a propagação da maré. A onda de maré é grande o suficiente para que sua
Figura 2.27: As marés de sízigia (luas cheia e nova) e quadratura (luas quarto de crescente e quarto de minguante)
55
propagação seja influenciada pelas profundidades oceânicas. O efeito da aceleração de
Coriolis, responsável pela deflexão das correntes de maré em sentidos distintos nos dois
hemisférios em virtude da rotação da Terra, também é considerada.
A Teoria Dinâmica da Maré foi desenvolvida por Bernoulli, Euler e Laplace no
século XVIII, para inserir os fatores que não foram considerados na teoria de Newton. A
presença dos continentes combinada ao efeito Coriolis causam modificações nos
padrões de propagação das marés. Além do que, o movimento das marés apresenta
inércia, isto é, não responde imediatamente às forças gravitacionais. Através da análise
de dados reais de maré em um determinado local, verifica-se que as preamares não são
simultâneas em relação às posições do sol ou da lua, portanto, as alturas de maré não
podem ser exatamente previstas pela teoria da gravitação universal, assim como, as
desigualdades diurnas pouco se assemelham àquelas esperadas.
O efeito Coriolis causa uma deflexão aparente nas correntes de maré, que no
Hemisfério Norte ocorre para a direita, ou horária, e no Hemisfério Sul, antihorária.
Esses movimentos rotacionais associados à influência da geometria das bacias oceânicas
imprimem um caráter rotatório das ondas de maré em oceano aberto, dando origem aos
sistemas anfidrômicos (Figura 2.28).
A propagação das marés ocorre em torno do ponto anfidrômico, no qual não
existe variação de maré. As curvas concêntricas a esse ponto representam as linhas de
mesma altura (co-range lines), enquanto as curvas radiais representam as linhas de
mesma fase (cotidal lines). A altura das marés em mar aberto é pequena com variações
inferiores a 50 cm, entretanto, tendem a aumentar conforme se afasta em relação ao
ponto anfidrômico. Como os pontos anfidrômicos estão geralmente localizados no mar,
as marés próximo à costa tendem a ser maiores que aquelas no oceano.
Figura 2.28: Sistemas Afidrômicos (Fonte: Dean & Dalrymple, 1984)
56
Propagação de marés em estuários
A maré real em estuários não é coincidente com os modelos analíticos, porque
ela sofre transformações que não ocorrem em mar aberto. Em estuários, o efeito de
Coriolis pode ser desprezado, pois tratam-se de pequenos canais que abrangem
pequenas latitudes. A onda de maré sofre transformações quando entra no estuário e
pode ocorrer alterações na quantidade de energia contida naquela onda.
De qualquer forma, a variação de níveis de água no oceano aberto em função da
maré astronômica atingem somente 0,5 metros. 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.
A morfologia do estuário combinada com o atrito imposto pelo seu fundo na
propagação da onda de maré determinam a variação da densidade de energia daquela
onda. Os estuários, então, podem ser classificados em hipersíncrono, quando o efeito de
convergência é maior do que o atrito no fundo; síncrono, quando há um equilíbrios entre
os efeitos; e hiposíncrono, quando o atrito no fundo predomina. Geralmente os estuários
estreitos formados pela foz do rio ou um braço de mar têm comportamento
hipersíncrono, havendo efeitos de afunilamento e ressonância da onda de maré (Dyer,
1973).
A dissipação de energia em função do atrito no fundo do canal causa a redução
da amplitude da onda. Uma maior concentração da densidade de energia por efeito de
ressonância pela reflexão da onda de maré, em estuários convergentes, causa o aumento
da amplitude. Tais efeitos de afunilamento e ressonância geram significativos
acréscimos na altura de maré, como é o caso de Severn no Reino Unido, onde a maré da
ordem de 5 metros na costa, chega a 11 metros na embocadura do rio Severn. Na Baía
de São Marcos no Maranhão no canal de acesso externo a altura é de 4,2 metros,
enquanto em Itaqui, a altura de onda de maré pode chegar até 7,0 metros.
Em algumas baías, a altura da maré para montante se torna muito maior que
aquela observada próximo à embocadura. Em algumas situações este fenômeno é
explicado por efeitos de ressonância da onda de maré dentro da baia. No efeito de
57
ressonância, a onda de maré refletida pelo estuário combina-se com a onda de maré que
está entrando, e no caso, do período da forçante ser igual ao tempo que a onda gasta
para viajar até o ponto oposto, refletir e voltar ao ponto inicial, ocorre um movimento
construtivo.
Mas não é apenas o efeito de resonância que pode dar origem a amplificações da
altura da maré dentro de um estuário. Diminuições graduais da largura e profundidade
(de forma que reflexões sejam inibidas) do estuário podem causar um efeito de
afunilamento, concentrando a energia da maré à medida que esta se propaga estuário
acima. Desconsiderando-se os efeitos não lineares e as perdas por fricção na propagação
da maré, a densidade de energia pode ser expressa por:
2
2AgE ρ= (2.42)
Onde A é a amplitude da maré. A enrgia por unidade de distância no estuário é
então (=E b), onde b é a largura do estuário. Sendo o fluxo de energia constante (não
existem perdas friccionais), então:
E.b.C = constante (2.43)
Onde C = (gh)0.5. Substituindo na segunda equação acima temos:
( )
.2
2
constghbAg
=ρ
(2.44)
Assim sendo, a amplitude A é proporcional a b-1/2 e a h-1/4, ou seja, a
amplitude da maré é mais sensível às variações de largura.
Para o conhecimento da variação do nível do mar, além da maré astronômica,
deve ser considerada a maré meteorológica. Os efeitos metereológicos que influenciam
na variação do nível do mar compreendem o empilhamento das massas de água causado
por variação da pressão atmosférica ou por ação dos ventos e das ondas. Esses
fenômenos, ao contrário da maré astronômica, não podem ser previstos, pois se tratam
de eventos aleatórios (Valentini, 2003).
58
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 a proximidade do equador. Em contrapartida, o litoral sudeste e sul sofrem
bastante influência da maré meteorológica, devido às tempestades intensas no Atlântico
Sul.
Finalmente, a previsão de maré astronômica pode ser efetuada, em parte, através
do conhecimento para um determinado local dos fatores astronômicos que influenciam a
variação do nível do mar, isto é, da amplitude e da fase, mas também, as observações
locais são necessárias para a correção da amplitude e da fase.
Previsão de maré
A previsão de maré consiste na análise harmônica de uma série observada, para
identificar as componentes e na reconstituição do sinal para o período desejado.
Segundo Dean (1966) e Franco (1997), a previsão de marés pode ser resolvida em dois
passos: análise harmônica dos dados medidos e reconstituição do sinal de maré.
No desenvolvimento harmônico, os fenômenos astronômicos são entendidos
como a combinação de diversas ondas de amplitude e fase diferentes, chamadas de
componentes harmônicas. As componentes harmônicas podem ser escritas da forma:
)cos( KuVfH −+ (2.45)
Onde, f é a correção nodal H é a amplitude média V+u é o argumento estático local K é o atraso de fase
Para um local diferente de Greenwich em horário diferente da zero hora, deverão
ser somados os termos:
zωθλ −°+= kKG (2.46)
A expressão fica:
)cos()K-cos( z GuVfHkuVfH −+=+°−+ ωθλ (2.47)
59
A altura do nível do mar em função do tempo pode ser escrita como:
)cos(H(t) 0 iiiii GuVHf −+Σ+=ζ (2.48)
Onde, H0 é o nível médio do mar,
Hi e Gi são as constantes harmônicas a serem determinadas através de medições locais,
Vi é a frequência da componente,
F, u são as correções nodais.
A expressão anterior pode ser reescrita como:
]'(cos[R(t) )00 iii rttR −−Σ+= ωζ (2.49)
Transformando:
](['](['cosR(t) )0)00 ttsenrRttrR iiiiii −+−Σ+= ωωζ (2.50)
Fazendo:
iii
iii
bsenrRarR
==
''cos
(2.51 a,b)
As incógnitas serão ai e bi, obtidas pela análise de Fourier e o método dos
mínimos quadrados.
)]²tsen2Rtcos2(R-R-y[ ijiiji0i πωπωζ +ΣΣ= (2.52)
2.6 – Equipamentos eletromecânicos utilizados em usinas maremotrizes
Em usinas maremotrizes, o equipamento eletromecânico é muito semelhante aos
utilizados em usinas hidrelétricas. Entretanto, as condições de operação da usinas de
maré, notadamente as baixas alturas de queda, as grandes vazões e a intermitência do
funcionamento, implica no desenvolvimento e na adaptação de turbinas hidráulicas.
Geralmente, as turbinas hélice são escolhidas para o aproveitamento maremotriz, devido
às condições de baixa queda e grande vazão.
As variantes da turbina hélice, empregadas em centrais maremotrizes, podem ser
agrupadas em:
Turbinas de eixo vertical com pás fixas ou móveis e distribuidores fixos ou
móveis (hélice, kaplan, propeller);
Turbinas de eixo inclinado com o gerador instalado fora do tubo de sucção;
60
Turbinas de eixo horizontal com os componentes do gerador instalados em
um bulbo cercado pelo tubo de adução da turbina (bulbo);
Turbinas de eixo horizontal com gerador circular instalado na periferia
(straflo).
Historicamente, verifica-se que a aplicação em usinas maremotrizes forneceu um
grande impulso no desenvolvimento de turbinas hidráulicas de baixa queda. Em 1915,
foi criada a turbina Kaplan, uma turbina tipo hélice com pás e distribuidores ajustáveis,
para aplicações hidráulicas de baixa queda, quando necessita-se compensar a variação
de vazão (Cordova, 1999). Muitas turbinas desenvolvidas posteriormente utilizavam o
mesmo rotor da turbina Kaplan com os mecanismos de ajuste das pás e distribuidores
(Figura 2.29 a).
Além da turbina Kaplan de eixo vertical, dois outros tipos de turbinas hélice
foram criadas, alterando a disposição da instalação do gerador elétrico. Uma delas foi a
turbina bulbo (Figura 2.29 b), projetada em 1933 por Arno Fisher e instalada três anos
depois em um aproveitamento de 168 kW. Tais turbinas são caracterizadas por
possuirem o gerador envolvido por uma carcaça em forma de bulbo instalada no rotor.
A turbina é montada em um eixo horizontal e pode trabalhar com os dois
sentidos de escoamento Desta forma, apresenta vantagens em relação à distribuição das
velocidades da água sobre as pás, permitindo a redução do seu diâmetro, comparadas às
Figuras 2.29: Esquemas de turbinas de baixa queda utilizadas em usinas maremotrizes (a) Kaplan (b) Bulbo (c) Straflo (d) Tubular
(a) (b)
(c) (d)
61
tradicionais de eixo vertical. As perdas de carga também são reduzidas, o que faz
aumentar o rendimento desta turbina e reduzir problemas de cavitação (Macintyre,
1983). O desenvolvimento das turbinas bulbo e adequação às características locais foi
decisivo para a construção da usina de La Rance em 1966 (Charlier, 2003).
Outra turbina projetada para situações de baixa queda é a turbina axial com
gerador na periferia, patenteada por Leroy Harza em 1919. Em seguida, a Escher-Wyss
manufaturou esse tipo de turbina para aplicações em baixa queda. Esta turbina foi a
precursora da Straflo, também desenvolvida pela Escher-Wyss, a partir de 1974. A
turbina Straflo foi instalada em algumas pequenas centrais hidrelétricas na Europa
Central, até serem empregadas grandes unidades na usina piloto de Annapolis no
Canadá em 1984 (Charlier, 1993, Díez, 2002).
A turbina Straflo (Figura 2.29 c) é montada em um eixo horizontal e tem os
polos magnéticos indutores do gerador instalados na periferia do rotor. Nesta
modalidade, pelo fato do gerador estar localizado fora do rotor, a seção de escoamento
da água é aumentada, o que resulta na redução do diâmetro da turbina comparada à
bulbo. A sua eficiência teórica é maior do que na nas turbinas bulbo e sua grande inércia
garante estabilidade. Na aplicação das turbinas Straflo em Annapolis, foram projetadas
as turbinas de maior diâmetro desta categoria, vencendo as dificuldades na vedação e
nos mancais de suporte do rotor do gerador (Eletrobrás,1981).
Além das turbinas bulbo e Straflo, a turbina tubular tem um arranjo alternativo
da instalação do gerador. Esta turbina possui as pás do rotor que são conectadas a um
eixo inclinado de um determinado ângulo, que possibilita a instalação do gerador em
uma região protegida do fluxo de água. No projeto da barragem de Severn fora proposto
o emprego das turbinas tubulares (Figura 2.29 d).
Recentemente, a tendência de aproveitamento de sítios de baixa queda e energias
renováveis, compreendendo pequenas centrais hidrelétricas, centrais maremotrizes e
conversores de energia de ondas, tem influenciado o desenvolvimento de novas turbinas
hidráulicas por fabricantes reconhecidos no mercado.
A turbina Hidromatrix foi desenvolvida pela Obermeyer Machinery e VA Tech
MCE para a utilização modular em vão de antigas estruturas, tais como barragens,
pontes, comportas e eclusas. A instalação de tais turbinas pode durar menos de doze
62
meses e dispensar a casa de força e o desvio do rio. Além de suas aplicações em
pequenas centrais elétricas, a Hidromatrix (VA Tech, 2007) pode ser empregada em
esquemas maremotrizes de geração na vazante. A Figura 2.30 mostra o aspecto modular
das turbinas Hidromatrix.
Os projetos existentes equipados com Hidromatrix incluem uma usina de 5 MW
construída em uma eclusa no Danúbio, Áustria, e outra de 30 MW em um sistema de
irrigação no Sudão. Os custos do sistema utilizando Hidromatrix foram da ordem de
US$ 4 milhões para a usina de 3 MW de potência instalada e 7.000 a 13.000 MWh/ano
de energia gerada, em uma barragem de controle de inundações em Connecticut em
1988.
A Alstom também desenvolveu uma turbina bulbo de pequenas dimensões para
o aproveitamento de quedas de 2 a 12 metros e vazões de 5 a 200 m³/s, resultando em
potências de 0,5 a 15 MW. Dentre os projetos existentes, apenas há uma referência à
usina maremotriz de La Rance, que foi equipada com uma turbina bulbo, de grande
porte, fabricada pela Alstom.
Alternativamente, esquemas de aproveitamento de energia das marés que não
contemplam a construção de barragens em estuários, devido aos seus impactos
econômicos e ambientais, estão sendo desenvolvidos por emergentes empresas atuantes
na linha de energias renováveis do mar.
A Tidal Electric propõe um sistema de múltiplos reservatórios, construídos em
mar aberto a certa distância da costa. O sistema é composto de três reservatórios
enclausurados que operam no esquema de geração na vazante, esvaziando seus volumes
Figura 2.30: Sistema de 25 turbinas Hidromatrix instaladas na eclusa de Freudenau, Áustria
63
de água para os reservatórios vizinhos. Adicionalmente, o sistema pode incorporar o
bombeamento se necessário (Tidal Electric, 2007).
As variantes de turbinas de correntes de maré podem ser agrupadas em três
tipos: as turbinas hidrocinéticas de eixo horizontal (axial flow turbine), de eixo vertical
(cross flow turbine) e hidrofólio oscilante.
As turbinas hidrocinéticas de eixo horizontal são similares àquelas empregadas
nos aproveitamentos eólicos. Inicialmente, foram propostos após as crises do petróleo
da década de 1970, embora tenha se tornado realidade nos últimos 5 anos. Em relação à
instalação no leito submarino, podem ser ancoradas através de cabos de amarração e
suspensas por bóias flutuantes ou montadas sobre pilares (Figura 2.32).
Geralmente, as turbinas de maré são orientadas livremente na direção do fluxo
da corrente. Suas dimensões são menores do que aquelas da turbina eólica, devido à
maior densidade da água em relação ao ar, resultando em menores custos de fabricação.
Figura 2.31: O esquema Tidal Lagoon com três reservatórios (Fonte: Tidal Electric, 2007)
Figura 2.32: Turbinas hidrocinéticas de eixo horizontal (Fonte: MCT, 2007, Hidrocinetica, 2007)
64
O fator de carga¹ é estimado em 35 a 45 %, sendo maior em 5 % na média do
que em fazendas eólicas. Os fabricantes compreendem a Marine Current Technologies
(MCT, 2007), Tyson Turbines e Northern Territory University.
As turbinas de eixo vertical incluem a Tidal Fence (Figura 2.33a), utilizando
turbina Davis, a turbina helicoidal ou Gorlov (Figura 2.33b) e a turbina Darrieus.
Os conversores do tipo hidrofólio oscilante estão representados pelo Stingray da
Engineering Business Ltd (EB, 2007), empresa com grande experiência em tecnologia
submarina. O dispositivo possui um hidrofólio ajustável conectado a uma alavanca,
montados numa estrutura sobre leito marinho. O hidrofólio entra em movimento com a
passagem da corrente, em movimentos verticais que acionam a rotação da alavanca.
Quando a alavanca chega ao fim do seu giro, o movimento é revertido para o sentido
contrário. A geração de energia se dá através do bombeamento da água (Figura 2.34).
__________________________ ¹ Fator de Carga é a razão entre a energia produzida e a potência instalada, ou seja, indica quanto tempo a usina estará, efetivamente, em funcionamento.
Figura 2.34: Instalação do protótipo do Stingray (Fonte: EB, 2007)
Figura 2.33: (a) Tidal Fence (b) Turbina Gorlov (Fontes: Blue Energy, 2007 e GCK, 2007)
65
3- Metodologia
Para avaliação hidroenergética e escolha do sítio na implantação de usinas
maremotrizes, é necessário o conhecimento das características ambientais do local de
estudo. Esta caracterização pode se efetuada através dos levantamentos batimétricos e
maregráficos com o auxílio de uma posterior modelagem numérica para a compreensão
do comportamento hidrodinâmico do corpo de água em estudo (Anexo 1).
A partir dos levantamentos batimétricos, são determinadas as características
morfológicas do fundo dos corpos de água, a evolução de sua sedimentação e, no caso
de reservatórios, a sua geometria para obtenção de dados de volume e áreas de
inundação. A propagação da onda de maré, de acordo com Dyer (1997), depende do
balanço entre a batimetria do estuário e a fricção imposta por esta. Assim sendo, o
padrão da circulação hidrodinâmica, inclusive as elevações de maré, afetam a dinâmica
dos sedimentos do estuário.
Outro parâmetro essencial para a avaliação hidroenergética de um
aproveitamento maremotriz consiste na determinação das elevações de maré ocorridas
no local de implantação da barragem. Tais elevações são determinadas através de
levantamentos maregráficos realizados pontualmente no local desejado ou pela
transposição de registros maregráficos, por meio de modelagem, de uma estação
próxima. A partir das informações de elevação dos níveis de água, é possível determinar
as alturas de queda bruta para a geração hidroelétrica.
Por fim, a modelagem matemática e/ou física do esquema maremotriz é
desejável para a avaliação do potencial hidroenergético, disposição dos equipamentos e
possíveis implicações da instalação da usina. Hammons (1993) enumera alguns aspectos
a serem estudados em um modelo de usina maremotriz:
• A energia gerada pela usina;
• Os efeitos causados nos níveis de água do reservatório e estuário;
• Os efeitos na mudança dos padrões de correntes e transporte de sedimentos;
• Os efeitos da barragem na intensidade de ondas;
• Os efeitos da barragem na qualidade de água;
• Comparação de diferentes modos de operação e disposição de equipamentos
da usina.
66
No caso de modelagem matemática, Hammons (1993) aponta para a utilização
de modelos numéricos implementados em computador digital e que se baseiam na
análise de elementos finitos, no qual cada elemento representa uma área ou um volume
de água descrita por equações deduzidas a partir dos princípios físicos. Ainda,
Hammons (1993) classifica em quatro tipos de modelos matemáticos empregados no
projeto de usinas maremotrizes e Rosman (1997) classifica os modelos matemáticos
combinando seus tipos com as aplicações e simplificações próprias para cada fenômeno
de interesse. De acordo com os autores os modelos podem ser pontual ou 0-D;
unidimensional ou 1-D; bidimensional ou 2-D subdivididos em bidimensional na
horizontal (2DH) de aplicação em estuários verticalmente homogêneos e bidimensional
na vertical (2DV) para aplicações em estuários estratificados; e tridimensional ou 3-D,
podendo ser tridimensional geral (3Dg), o qual inclui todas as equações para aplicação
geral e tridimensional simples (3D), que não inclui gradientes de salinidade para corpos
de água de densidade homogênea, de acordo com Rosman (1997).
A determinação do domínio do modelo numérico, isto é, o modelo matemático
aplicado, implica no conhecimento da batimetria da área a ser modelada e do registro
maregráfico, que servirão de condições de contorno e iniciais. Portanto, os
levantamentos batimétricos e maregráficos são desejáveis para avaliação das condições
ambientais no desenvolvimento do projeto, como também, constituem-se em parâmetros
de entrada para possíveis processos de modelagem.
3.1 - Levantamentos batimétricos e maregráficos
As informações obtidas através de levantamentos batimétricos são de utilidade
para a navegação, administração portuária e entidades que utilizam o mar como fonte de
atividade. Outras importantes aplicações são a produção e atualização de cartas
náuticas. Especificamente, em aproveitamentos hidroenergéticos, os levantamentos
batimétricos são úteis para a caracterização da morfologia de fundo na fase de
implantação e monitoramento da sedimentação e erosão na fase de operação.
Durante as últimas décadas, um desenvolvimento considerável nos
equipamentos e métodos utilizados na hidrografia foi observado. Em relação ao
posicionamento da embarcação, a utilização do GPS configurou-se como um grande
67
avanço em razão de suas características superiores aos sistemas anteriores, sendo o
sistema de posicionamento mais utilizado pela comunidade marítima. As vantagens do
GPS consistem na sua exatidão no posicionamento, cobertura global e disponibilidade
ininterrupta inclusive independente das condições meteorológicas.
Recentemente, o sistema GPS vem sendo integrado a outros sistemas que
também necessitam de coordenadas precisas, como nas orientações de dragagens, nos
levantamentos batimétricos e sistemas de informação geográfica (GIS). A utilização do
sistema integrado GPS e ecobatímetro para realização de levantamentos batimétricos é
bastante recente, de forma que a literatura ainda é escassa para essas aplicações. Os
fabricantes de equipamentos para a navegação vêm reunindo os recursos de GPS e de
ecobatímetro no mesmo aparelho. Os problemas de simultaneidade entre os dois
recursos são drasticamente reduzidos, visto que no instante de aquisição do sinal as
coordenadas GPS são mostradas juntamente com a profundidade para o mesmo ponto
medido.
Embora tais equipamentos sejam classificados para uso recreativo e atividades
pesqueiras, eles vêm sendo utilizados na medição de reservatórios de hidrelétricas,
apresentando resultados bastante satisfatórios. Trabalhos relativos ao mapeamento
batimétrico de hidrelétricas no estado do Paraná, relatados em Meurer (2006), foram
realizados com ecobatímetros acoplados ao GPS. A literarura técnica sobre
levantamentos que utilizam ecobatímetro-GPS ainda é escassa, existindo algumas
referências em Meurer (2006), Álvares et al. (2000) e Krueger (1999).
Este tipo de ecobatímetro integrado ao GPS é de feixe único e funciona
tipicamente na freqüência de 200 kHz e, em grandes profundidades, acima de 120 m,
com maior eficiência, porém com menor resolução, na freqüência de 50 kHz.
Entretanto, os ecobatímetros de feixe único, em função do seu cone de emissão, não
abrange grandes áreas do relevo submarino em comparação com aqueles de feixe
múltiplo. Para aplicações de extrema importância, por exemplo, o levantamento de
perigos à navegação, pode ser empregado um sonar de varredura eletrônica, que deve
ser conjugado a um ecobatímetro, pois não fornece a profundidade da área varrida,
somente as variações significativas do fundo.
O sistema de posicionamento horizontal deste ecobatímetro, isto é, determinação
da latitude e longitude é baseada no GPS, o qual apresenta uma precisão de 90 metros
68
da posição terrestre exata. Adicionalmente, o ecobatímetro pode ser equipado com o
sistema WAAS, disponível apenas na América do Norte e DGPS, o qual apresenta um
aumento de precisão em relação ao GPS. O sistema DGPS – Diferential Global
Positioning System – tem o objetivo de compensar os erros inerentes ao sinal de GPS,
fazendo a triangularização do receptor GPS, satélite e uma estação de referência de
coordenada conhecida, podendo, também, utilizar transmissores existentes do sistema
de radio farol.
O sistema DGPS consiste na utilização de dois receptores de GPS, um operando
em uma estação de referência e outro a bordo da embarcação. A estação de referência
diferencial calcula as correções do sinal baseadas nos erros da posição conhecida e da
posição dada pelo receptor GPS da embarcação. A precisão do DGPS varia devido ao
número de satélites observados, do número DOP (dilution of precision) e com a
distância entre a estação de referência e a embarcação, alcançando de 1 a 10 metros.
Os dois métodos amplamente utilizados para o posicionamento da embarcação
em um levantamento batimétrico são o método de interseção a vante, que consiste na
amarração da posição da embarcação a duas estações em terra realizando uma
triangulação através de métodos topográficos convencionais e o método utilizando
DGPS, o qual dispensa os apoios em terra.
A precisão do levantamento batimétrico está relacionada com o tipo de aplicação
a que se destina. A Marinha do Brasil (Marinha, 2007) classifica os tipos de aplicação
em quatro ordens de levantamento hidrográfico: Ordem especial, ordem 1, ordem 2 e
ordem 3, como definido na Tabela 3.1.
Tabela 3.1: Ordens de levantamento hidrográfico (Fonte: Marinha, 2007)
Ordem Especial: são de aplicação restrita a áreas críticas específicas, de folga
mínima sob a quilha e onde as características do fundo sejam
potencialmente perigosas à navegação, como portos, atracadouros e canais
críticos. Nesses levantamentos faz-se necessário o uso de linhas de
sondagem com espaçamento próximo, em conjunção com equipamento
multitransdutor, sonar de varredura lateral ou ecobatímetro multifeixe de alta
resolução, de forma a se obter uma ensonificação integral de fundo (100%);
Ordem 1: destinam-se às áreas portuárias, canais de acesso, rotas
recomendadas, canais de navegação interior e áreas costeiras com grande
69
densidade de tráfego mercante, onde a folga sob a quilha seja menos crítica
e as propriedades geofísicas do fundo sejam menos perigosas à navegação
(como fundo de lama ou arenoso). Os levantamentos desta ordem devem
limitar se às áreas com profundidades menores que 100m;
Ordem 2: destinam-se às áreas com profundidades menores de 200m, não
abrangidas pela Ordem Especial e Ordem 1 e onde uma descrição geral da
batimetria seja suficiente para assegurar a inexistência de obstruções
capazes de colocar em risco as embarcações suscetíveis de transitar ou
operar na referida área. É o critério a ser adotado para uma variedade de
usos marítimos que não justificam levantamentos hidrográficos de uma
ordem mais alta;
Ordem 3: destinam- se a todas as áreas não abrangidas pela Ordem Especial,
Ordens 1 e 2 e onde as profundidades sejam superiores a 200m.
A escala adotada do levantamento batimétrico deve estar de acordo com o nível
de detalhamento que pretende-se representar, considerando a precisão mínima. Outras
variáveis como tempo e esforço despendidos na sondagem também são considerados na
escolha da escala. A escala do levantamento conduzirá a uma maior ou menor densidade
de malha, na qual deve ser considerada a importância da área, a morfologia do fundo, a
profundidade, a cobertura fornecida pela sondagem e os meios disponíveis para o
levantamento. Dependendo da finalidade do levantamento e sua aplicação, é possível
definir a sua escala.
Para as finalidades pretendidas do levantamento batimétrico, a Marinha do
Brasil estabelece escalas usuais em suas Especificações para Levantamentos
Hidrográficos (Marinha, 2007).
• Portos, ancoradouros, canais e área de praticagem devem ser hidrografadas
numa escala maior ou igual a 1:10.000.
• Áreas de aproximação a portos e ancoradouros e outras águas usadas
regularmente para a navegação devem ser hidrografadas em uma escala igual ou
maior a 1:20.000, mas nunca menor que 1:25.000.
• Áreas costeiras com profundidades de até 30 metros ou 40 metros, onde navios
de grande calado operam ou onde há suspeita de existência de casco soçobrado e
outros obstáculos devem ser hidrografadas em uma escala igual ou maior a
1:50.000.
70
• Levantamentos hidrográficos em profundidades entre 30 e 200 metros podem
ser realizados em uma escala menor que 1:50.000, dependendo de vários fatores,
sendo os mais críticos a importância da área coberta, a profundidade e a
configuração do fundo. A escala não deve ser menor que 1:100.000, exceto em
circunstâncias excepcionais.
A disposição das linhas de sondagem em levantamentos batimétricos de rios ou
canais deve ter um sentido perpendicular a linha de talvegue destes, por permitir uma
aproximação mais exata da declividade do fundo e um traçado mais correto das
isobatimétricas (linhas de mesma profundidade). O afastamento das linhas de sondagem
segue o padrão recomendado pela Marinha do Brasil, fixado em no máximo 10 mm, o
que representa um afastamento de 10 mm na carta elaborada com a escala adotada
(Marinha, 2007).
Em relação aos níveis de referência, três devem ser considerados que estão
relacionados entre si, são eles: as referências de nível (RN), o zero da régua e o nível de
redução. A referência de nível pode ser um ponto exterior ao levantamento,
materializado com uma marcação, ao qual estará amarrado todo o levantamento
batimétrico. A partir dos RN, as coordenadas latitude, longitude e altitude dos diversos
pontos da levantamento podem ser referenciados.
O zero da régua corresponde ao menor nível que pode alcançar o corpo de água
sem perda da medição. A régua não precisa estar instalada necessariamente no ponto
mais baixo do corpo de água a ser medido, porém esta deve estar situada de maneira que
compreenda todo o intervalo de variação de nível do corpo de água. O nível de redução
é considerado como nível mínimo esperado que o corpo de água, influenciado pelo
regime de água de um rio e das situações extremas de maré. O nível de redução é
considerado como o zero para determinação das alturas de maré.
Figura 3.1: Disposição das linhas de sondagem
71
As profundidades obtidas por ecobatímetro se referem às alturas entre o casco da
embarcação, onde está instalado e o fundo do leito do reservatório. Para o cálculo das
profundidades reais do reservatório, deve ser considerado o valor do calado do navio
(Figura 3.3). Outro ponto imprescindível é a redução das sondagens, que consiste na
correção dos valores de nível de água medidos descontando-se as elevações de maré
ocorridas durante o instante da medição.
Figura 3.2: Níveis de maré (Fonte: Marinha, 2006)
Figura 3.3: Cotas consideradas num levantamento batimétrico realizado com ecobatímetro
72
Em relação ao posicionamento da sonda, os métodos comumente utilizados são
o método de interseção a vante e através do posicionamnto por satélite. O método de
interseção a vante necessita de estações de apoio em terra, pois consiste na
determinação das posições através de triangularizações entre a embarcação e duas
estações em terra através do emprego de equipamentos típicos de levantamentos
topográficos. Por outro lado, o método de posicionamento por satélites pode utilizar o
sistema DGPS para obter as coordenadas dos pontos a serem sondados e, por essa razão,
dispensa a presença de estações de apoio em terra.
3.2 – Previsão de marés
Um aspecto favorável dos aproveitamentos de energia maremotriz é o fato do
fenômeno das marés ser altamente previsível, uma vez que, é ocasionado por
movimentos astronômicos periódicos e conhecidos. Apesar de ser uma fonte renovável
de energia, aquela proveniente das marés pode ser estimada para períodos muito longos,
da ordem de décadas, com razoável precisão. Desta forma, modelos de previsão de maré
constituem-se em etapa obrigatória para o desenvolvimento de um projeto de energia
maremotriz.
Existem algumas abordagens para o problema de análise e previsão de marés,
classificadas em técnicas paramétricas e não-paramétricas. Destas técnicas pode-se
destacar a análise harmônica, o método do almirantado, método bayesiano e método
híbrido entre as paramétricas e o periodograma, baseado na transformada de Fourier
entre as não-paramétricas.
Conforme descrito em Dean (1966) e Franco (1997), a previsão de maré é
realizada em duas etapas, a análise harmônica das marés observadas e a reconstituição
do sinal de maré.
O problema consiste em prever as altura de maré em função do tempo, a partir
de um somatório de ondas individuais, denominadas componentes harmônicas. Cada
onda representa um movimento astronômico ou a sua correção, que influenciam a maré,
de maneira que, a combinação destas objetiva representar a maré resultante. A altura da
maré em função das componentes harmônicas na previsão de maré está descrita na
equação 3.1.
73
∑=
−++=n
iiiio KuVfHhth
1
)cos()( (3.1)
Onde, h é a altura da maré no instante t;
ho é a altura de maré na estação em estudo;
Hi é a amplitude da componente harmônica;
Vi é o argumento da componente harmônica;
Ki é a fase da componente harmônica;
f , u são as correções nodais para a amplitude e fase da componente.
Nesta expressão, ho é a altura de maré na estação onde está sendo feita a
previsão e tem o objetivo de compensar o efeito local ao somatório das componentes
harmônicas. A amplitude Hi e a fase Ki da componente harmônica são as incógnitas a
serem determinadas na análise harmônica, o argumento Vi é conhecido a partir da
solução dos números de Doodson e as correções nodais f e u referem-se a variações na
maré provocadas pela retrogradação dos nodos da lua¹, que acontecem em um período
de 18,6 anos.
A análise harmônica de maré é amplamente utilizada e serviu como referência
para outras técnicas paramétricas. Inicialmente, a análise harmônica foi desenvolvida a
partir dos estudos de Doodson, em 1921, acerca do potencial das marés (Dean, 1966).
Primeiramente, a posição dos astros é calculada e, então, as forças geradoras de
maré são resolvidas para qualquer instante de tempo. Os números de Doodson
representam os principais movimentos astronômicos e estão presentes no cálculo da
freqüência de cada componente harmônica de maré. Os números de Doodson são
descritos a seguir:
S(t) é a longitude média da lua;
H(t) é a longitude média do sol;
P(t) é a longitude média do perigeu lunar;
N’(t) é o negativo da longitude média do nodo ascendente;
P’(t) é a longitude média do perigeu solar.
Os programas de análise harmônica levam em consideração no seu cálculo
quantas componentes harmônicas são necessárias para se obter uma boa precisão no
____________________ ¹ Retrogradação da lua é um movimento astronômico de, aproximadamente, 8,8 anos, responsável pela variação anual das amplitudes de maré em cerca de 5 %.
74
sinal de maré. Neste trabalho, o programa T-Tide (Foreman, 2004) contém um pacote
de 45 constituintes astronômicas e 101 constituintes de águas rasas. Para reduzir o
tempo de cálculo e, também, o custo de processamento, o qual cresce aproximadamente
com o quadrado do número de constituintes incluídas na análise e considerando que em
muitas estações a maioria das constituintes de água rasa é insignificante, o T-Tide
utiliza todas as 45 componentes astronômicas somadas a 24 componentes de águas
rasas. Esta sugestão foi realizada por Godin (Foreman, 2004), por considerar a
quantidade de componentes adequada para um uso geral.
As constituintes de água rasa são distorções das oscilações dos principais
constituintes da maré em estuários. Devido ao fato da velocidade de propagação de uma
onda progressiva ser aproximadamente proporcional a raiz quadrada da profundidade,
as águas rasas tem o efeito de retardar o cavado da onda mais do que sua crista,
distorcendo a forma senoidal original e, assim, introduzindo novas componentes
harmônicas não consideradas no desenvolvimento do potencial de marés. As
frequências dessas componentes podem ser encontradas através do cálculo do efeito de
termos não-lineares, nas equações hidrodinâmicas, oriundos de uma ou mais
componentes principais (Foreman, 2004).
O cálculo da amplitude e fase da componente harmônica é realizado através do
método dos mínimos quadrados. De acordo com o tamanho do registro de marés
observadas, o programa inclui as constituintes possíveis de serem determinadas. A
comparação de Rayleigh é utilizada para decidir a inclusão de uma constituinte
específica na análise. Sendo j o número de frequências em ciclos por hora dos
componentes de maré, o período de observação de marés fornecerá o intervalo de 1 até
M freqüências que poderá ser utilizado na análise.
∑=
−+=M
jjijjoi tACty
1)](2cos[)( φσπ jσ para Mj ,1= (3.2)
As incógnitas do problema, as amplitudes Aj e fases φj da equação 3.2, devem
ser calculadas de forma que melhor se encaixem na série de observações y(ti), i = 1 até
N. A taxa de amostragem, σA , segundo o Teorema de Nyquist, deverá ser superior ao
dobro da freqüência do fenômeno amostrado σA > 2 σM + 1. Portanto, a quantidade de
intervalos da série observada N, correspondente a freqüência de amostragem σA , deverá
ser N > 2M + 1. Assumindo este valor para N, é impossível resolver o sistema da
75
equação 3.2, pois este resulta indeterminado. Então se faz necessário adotar um critério
que possibilite encontrar valores únicos e otimizados para Aj e φj, desta forma, o método
dos mínimos quadrados pode ser empregado (Equação 3.3).
∑=
++=M
jijjijjoi tsenStCCty
1
)]2[()](2cos[)( πσσπ (3.3)
Onde 2/122 )( jjj SCA += e jjj CS /arctan2 =πφ
O objetivo da aplicação do método dos mínimos quadrados é minimizar a
equação 3.4.
2
1 1)]2()(2cos[)(∑ ∑
= =
+−−=N
i
M
jijjijjoi tsenStCCtyT πσσπ (3.4)
Transformando na forma matricial Bx = y, como esquematizado na expressão
3.5.
⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
MMMMMMM
MM
MMMMMMM
MM
MM
SSSSSCSCS
SSSSSCSCSCSCSCCCCC
CSCSCCCCCSSCCN
LL
MMMMMMM
LL
LL
MMMMMMM
LL
LL
11
1111111
11
1111111
11
⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
M
M
S
SC
CC
M
M
1
1
0
=
⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
∑
∑
∑
∑
∑
=
=
=
=
=
N
iiMi
N
iii
N
iiMi
N
iii
N
ii
tseny
tseny
ty
ty
y
1
11
1
11
1
2
2
2cos
2cos
πσ
πσ
πσ
πσ
M
M
(3.5)
Uma vantagem da aplicação do método dos mínimos quadrados é admitir falhas
no registro da série observada, isto é, faltando horas na observação, o que pode ser
facilmente manipulado, uma vez que, não é necessário que os tempos de observação
sejam igualmente espaçados. Devido ao fato da matriz B ser simétrica, somente os
termos do triângulo superior 2M² + 3M +1, ao invés dos (2M + 1)² elementos de toda a
matriz. O processo de fatorização utilizado é o de Cholesky, conforme esquematizado
nas expressões 3.6 e 3.7.
76
Se TGGB = , (3.6)
Então, yxGGT = yGb = bxGT = (3.7 a,b,c)
Devido a natureza triangular de G, as equações 3.7(b),(c) são resolvidas pela
substituição anterior e posterior para b e x respectivamente.
O módulo de previsão de marés, segunda parte do programa, consiste na
reconstituição do sinal a partir das componentes harmônicas encontradas. Nesta fase, as
incógnitas são as alturas de maré em um determinado instante t, como expresso na
equação 3.8.
∑=
−++=M
jjjjjjo gtutVAfhth
1)])()((2cos[)( π (3.8)
Onde, Aj, gj são a amplitude e a fase da componente j;
fj(t),uj(t) são as correções nodais da amplitude e fase;
Vj(t) é o argumento astronômico da componente j.
O argumento astronômico V(t) é composto pela combinação dos números de
Doodson, conforme representado na equação 3.9.
)(')(')()()()()( tnPtmNtlPtkHtjStitV +++++= τ (3.9)
Expandindo V(t) em série de Taylor e utilizando a aproximação de 1° ordem,
como indicado na equação 3.10.
000
000
)]('[)()(')]('[)()(')]([)()(
)]([)()()]([)()()]([)()()(
000000
000000
tttttt
tttttt
tnPt
tttnPtmNt
tttmNtlPt
tttlP
tkHt
tttkHtjSt
tttjStit
tttitV
===
===
∂∂
−++∂∂
−++∂∂
−++
∂∂
−++∂∂
−++∂∂
−+= ττ (3.10)
σ)()()( 00 tttVtV −+= (3.11)
Onde, t0 é o tempo inicial de referência;
σ é a freqüência da componente no tempo inicial
As variáveis f(t) e u(t) na equação 3.8 dependem apenas da flutuação do valor do
argumento astronômico ao longo dos anos, denominada ∆jk(t). Estando as componentes
77
agrupadas por similaridade, as componentes satélites diferem das componentes
principais somente nos três últimos números de Doodson, expresso na equação 3.12.
)(')(')()()()( tnPtmNtlPtVtVt jjkjk ∆+∆+∆=−=∆ (3.12)
Resolvendo por diferenças finitas e aplicando a aproximação de Taylor de 1°
ordem resuta na equação 3.13.
=−∆+−∆+−∆=∆−∆ ++++ )](')('[)](')('[)]()([)()( 1111 iiiiiiijkijk tPtPntNtNmtPtPltt
))(()](')(')([)( 11 0 jjkiittii tttnPtmNtlPdtdtt σσ −−=∆+∆+∆−= +=+ (3.13)
O valor de ∆jk(ti+1)- ∆jk(ti) é desprezível considerando períodos curtos de
previsão, uma vez que, o termo 0
)](')(')([/ tttnPtmNtlPdtd =∆+∆+∆ é 0,16668884
ciclos/ 356 dias e |∆l|,|∆m| e |∆n| são sempre menores ou iguais a 4 e fazendo (ti+1-ti) ≤
16 dias, ∆jk(ti+1)- ∆jk(ti) resultará menor que 0,03 ciclos. Essa pequena variação conduz a
um comportamento similar no cosseno e seno deste termo e, então, nas correções nodais
f(t) e u(t). Portanto, tais valores podem ser considerados constantes para previsões em
um curto período, por exempo, de um mês. Este artifício economizará tempo e custo de
operação computacional, mantendo uma boa precisão no cálculo.
O procedimento para cálculo das séries de alturas de marés é realizado através
do cálculo das frequências das componentes de maré via derivadas das variáveis
astronômicas e números de Doodson. Os valores de f(t) e u(t) são considerados iguais
aqueles as 0 horas do décimo sexto dia do mês para todo o primeiro mês do período
desejado, e se necessário, para os meses subsequentes. As alturas de maré para os
valores desejadas pode ser calculado pela equação 3.14.
∑=
−+−+=M
jjjjjjj gtutttVAtfth
116161616 )])()()((2cos[)()( σπ (3.14)
A previsão das preamares e baixamares segue as recomendações feitas em 1973
por Godin e Taylor (Godin & Taylor apud Foreman, 2004). Por tratarem-se de valores
extremos, as preamares e baixamares são obtidas a partir da derivada da equação 3.14,
demonstrada na equação 3.15.
78
∑=
−+−+=M
jjjjjjjj gtutttVsenAtftDh
10000 )])()()((2[2)()( σππσ (3.15)
Se Dh(t) é uma função contínua no intervalo [t1,t2] e tk é um ponto nesse
intervalo então:
(i) Dh(tk) = 0. Se e apenas se, tk é um ponto extremo ou ponto de inflexão], ou h(t)
é constante nas vizinhanças de tk;
(ii) Se Dh(t1) e Dh(t2) têm sinais opostos, então existe um tk no intervalo (t1,t2) no
qual D(tk) = 0.
Mesmo que as derivadas tenham sinais opostos, não necessariamente existe
apenas um ponto extremo no intervalo, portanto é preciso definir um intervalo mínimo
no qual só exista um valor extremo, ou seja, uma preamar ou uma baixamar. O tamanho
do intervalo, obviamente, dependerá das características da maré na estação em estudo.
A partir do conhecimento se a maré possui comportamento diurno, semidiurno ou
misto, pode ser determinado o intervalo mínimo no qual a maré deve ser observada.
Para a maré diurna, o intervalo é menor que aproximadamente 12 horas, para a maré
semidiurna, menor que 6 horas. No caso de maré mista, na qual existem curtos períodos
de desigualdades diurnas, com deslocamento de sua ocorrência e amplitude ao longo
dos dias, foi sugerido por Godin um intervalo mínimo de 0,5 horas (Foreman, 2004).
O critério de forma ou de Courtier (Franco, 1997) é uma razão entre as
amplitudes das maiores componentes diurnas e semidiurnas: M2, S2, K1, O1. Esse valor
é bastante útil para a classificação do tipo de maré em diurna, semidiurna ou mista. A
expressão 3.16 indica o cálculo do critério de Courtier.
22
11
SMOKF
++
= (3.16)
(i) semidiurna se 0 ≤ F ≤ 0,25;
(ii) mista se 0,25 < F ≤ 3,00;
(iii) diurna se F > 3,00
De acordo com a definição de Franco (1997), as marés em algumas regiões do
globo possuem apenas uma preamar e uma baixamar e, por isso, são classificados como
diurnas, enquanto em outras regiões, as marés possuem duas preamares e duas
79
baixamares, sendo, portanto, chamadas de marés semidiurnas. Quando as desigualdades
diurnas entre as duas preamares e baixamares são relevantes, as marés são classificadas
como maré semidiurna com desigualdade diurna, e quando são desprezíveis, são
chamadas simplesmente de marés semidiurnas.
No Brasil, as marés em geral têm comportamento semidiurno desde Vitória, ES,
até o litoral norte do país. No litoral sul brasileiro, as marés são classificadas como
marés semidiurnas com desigualdades diurnas (Marinha, 2007). As Figuras 3.4 (a) e (b)
ilustram o comportamento das marés brasileiras.
Figura 3.4 (a): Marés semidiurnas
Figura 3.4 (b): Marés semidiurnas com desigualdades diurnas
80
3.3 - Modelo de geração de energia
O aproveitamento da energia das marés, quando realizado através da construção
de uma barragem e criação de um reservatório é bastante similar aos aproveitamentos
hidrelétricos convencionais instalados em rios. Do ponto de vista ambiental, as
diferenças entre usinas maremotrizes e hidrelétricas são evidentes, primeiramente,
porque no primeiro o recurso energético provém da maré, enquanto no segundo é
resultante do ciclo hidrológico e da descarga dos rios. Outra peculiaridade é o fato das
usinas maremotrizes trabalharem com reduzidas quedas de água e podem gerar energia
nos dois sentidos do escoamento.
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.
Alguns autores desenvolveram equações para a conversão de energia
disponibilizada pela maré em estuários. Bernshtein (1961), Gibrat (1966), Prandle
(1984) e Godin (1988) estabeleceram uma teoria simplificada para os esquemas
maremotrizes que utilizam barragem. Esta teoria baseia-se nas mudanças de nível da
maré em ambos os lados da barragem e na descarga através da barragem e relaciona-se
com a potência gerada. A diferença de nível Hb pode ser calculada como a diferença
entre os níveis do reservatório e do estuário. O nível de água no reservatório é denotado
por HR(t) e o nível de água fora da barragem como ζ = ζocosωt. Então, a queda bruta Hb
é dada pela equação 3.21.
ttHtH Rb ωζ cos)()( 0−= (3.21)
A vazão utilizada para a geração de eletricidade pode ser calculada a partir da
variação do nível do reservatório z em função do tempo.
)()( tQtAt
HR
R −=∂∂ (3.22)
81
Onde Q é a vazão em m³/s; z é o nível do reservatório em metros e AR é a área
do reservatório em m². Supondo que a superfície do reservatório seja constante para
pequenas variações de volume e integrando a expressão (3.8) em relação ao tempo, são
obtidas as equações 3.23 e 3.24.
dtAdtdzdttQ
T
R
T
∫∫ =2/
0
2/
0
)( (3.23)
Rtotal AzTzV )]0()2/([ −= (3.24)
O volume total admitido no reservatório será o produto da diferença de nível
durante o meio ciclo da maré pela área do reservatório, o qual pode ser aproximado
como uma constante. A potência gerada em um ciclo de maré pode ser obtida pela
equação 3.25.
T
dttHtQgP
b∫=)()(ρ
(3.25)
Onde Hb é a queda bruta em metros.
O objetivo do modelo de geração de energia é estimar a quantidade de energia
gerada e a potência instantânea de uma usina maremotriz, considerando suas
características hidroenergéticas, fornecendo a seu regime de operação ao longo de
tempo (Ferreira, 2006).
82
4- Estudo de caso: Estuário do Bacanga, São Luís – MA
No Brasil, as maiores amplitudes de maré são observadas nos estados do Amapá,
Pará e Maranhão, que apresentam variações superiores a 5 metros, consideradas pela
literatura específica como favorável à implantação de usinas maremotrizes. As marés do
litoral norte brasileiro possuem grande amplitude, como também possuem caráter
semidiurno com desigualdades diurnas desprezíveis. Outro importante aspecto, sobre os
movimentos dos mares brasileiros, é o fato de que a influência dos fenômenos
meteorológicos ocorre com maior intensidade no sul, perdendo intensidade no sentido
norte. Por conseguinte, as marés nas regiões Norte e Nordeste são, predominantemente,
astronômicas, sendo pequena a contribuição da maré meteorológica. Esta última
característica garante que as marés ocorridas fiquem bem próximas das previstas
(Figura 4.1).
Segundo a classificação proposta por Davies (Dyer, 1973), que avalia os efeitos
induzidos pela maré em um estuário, devido à sua amplitude, a ocorrência de marés nas
regiões brasileiras poderiam ser definidas como: macromaré, na região norte (AP, PA e
MA), mesomaré, na região Nordeste (excetuando o MA) e micromaré, na região sudeste
e sul. A Figura 4.2 apresenta as variações de maré nas regiões brasileiras.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Figura 4.1 – Série de marés observadas (azul) e previstas (vermelho)
83
Em exceção à região norte, as demais regiões brasileiras podem apresentar locais
favoráveis à implantação de aproveitamentos de energia das correntes de maré, uma vez
que, por não utilizar a energia potencial da maré, e sim da velocidade alcançada pela
corrente, sua altura desempenha um papel secundário. Neste tipo de aproveitamento, a
construção de uma barragem pode ser dispensada, eliminando os elevados custos de
implantação e os efeitos ambientais, que geralmente são impactantes.
4.1- Caracterização
O estuário do rio Bacanga localiza-se na ilha de São Luís, no estado do
Maranhão. O rio possui, aproximadamente, 27 km, drena a porção noroeste da ilha e na
margem direita do seu trecho estuarino banha a cidade de São Luís, desaguando na baía
de São Marcos (Figuras 4.3 e 4.4). Na baía de São Marcos encontra-se um complexo
portuário favorecido por grandes profundidades e variações de maré (vide Anexo 2).
H = 1,5 a 3,5 m
H = 3,5 a 11 m
H = 1,0 a 1,5 m
H = inferior a 1,0 m
Figura 4.2 – Valores de variação da maré no litoral brasileiro
Figura 4.3: Localização do estuário do rio Bacanga na cidade de São Luís, Maranhão
BBaaííaa ddee SSããoo MMaarrccooss
BBaaííaa ddee SSããoo JJoosséé
84
A região onde está situada a ilha de São Luís foi formada no período terciário, a
partir da erosão após o plioceno, que resultou no isolamento da ilha em relação ao
terrenos continentais. O processo de insulamento foi acelerado pela ingressão marinha,
formando um golfão aonde passaram a desaguar diversos corpos de água das terras
continetais e da ilha de São Luís. As baías de São Marcos e São José, que circundam a
ilha de São Luís, tomaram as feições atuais após o afogamnto eustático que sofreram no
quaternário. Este processo de formação de rias foi constante em todo o litoral do Pará e
oeste do Maranhão (Ab’Saber apud Bandeira, 2006).
Em relação à geologia, a bacia do Bacanga apresenta as mesmas características
da porção noroeste maranhense, composta de terrenos cristalinos recobertos com
estruturas sedimentares. Especificamente nas áreas drenadas pelo Bacanga, há um
predomínio de arenitos inconsolidados de cores variadas intercalados por leitos
calcários, em alguns trechos, também, argilitos (SEMATUR, 1992).
A vegetação predominante dos estados do litoral equatorial amazônico, Amapá,
Pará e Maranhão, é constituida pela mata pluvial tropical Hileiona. Localmente, recebe
a denominação de pré-amazônia. No estuário do Bacanga, existem formações com os
manguezais, característicos do domínio atlântico. O clima é classificado como tropical
úmido, possuindo temperatura média entre 22° e 25°. O período chuvoso se estende de
janeiro a junho e o de estiagem de julho a dezembro, sendo o mês mais chuvoso o de
abril e o de maior estiagem o de outubro, que também é o mais seco. Os ventos têm
Figura 4.4: Foto aérea do estuário do rio Bacanga (Fonte: Maranhão, 2006)
85
características constantes decorrentes dos alíseos, com predomínio de 43% do alísio de
NE com velocidade média de 31 m/s.
A bacia do Bacanga ocupa uma área de cerca de 110 km² e compreende as sub-
bacias do rio das Bicas (porção norte e noroeste da bacia), igarapé do Coelho (nordeste),
represa do Batatã (leste) e alto Bacanga (sul), conforme apresentado na Figura 4.5. Os
sedimentos presentes nos corpos de água da ilha são, basicamente, arenosos, variando
de areia grossa a média, de características quartzoza. Às margens dos igarapés e do rio
Bacanga estão presentes zonas de manguezais, onde também existem depósitos de
sedimentos argilosos de coloração escura (SEMATUR, 1992).
A bacia do Bacanga encontra-se densamente ocupada, atualmente, cerca de 250
mil pessoas habitam em 57 bairros distribuídos nesta área. Esta ocupação representa
quase um quarto da população de São Luís que possui 957 mil habitantes (IBGE, 2007).
A maior parte destas áreas foi ocupada de maneira irregular, o que provocou, ao longo
dos anos, o surgimento de bairros sem infra-estrutura, causando e sofrendo impactos
pela interferência com o meio ambiente.
Os manguezais representam fundamental fonte de alimentos e sustento
econômico, e, desta forma, favoreceram o estabelecimento de comunidades humanas,
desde tempos anteriores.
Atualmente, o estuário do rio Bacanga está em processo avançado de
assoreamento, principalmente no trecho a jusante da barragem, decorrente da deposição
de sedimentos provenientes das praias vizinhas e carreadas pelas correntes de maré para
o interior do estuário.
Figura 4.5 – Bacia hidrográfica do rio Bacanga
86
4.2- Histórico
A barragem do Bacanga teve sua construção iniciada em 1968, o seu projeto
executivo foi realizado pela SONDOTÉCNICA entre 1966 e 1967. Os principais
objetivos da contrução da barragem eram:
• Permitir a ligação rodoviária entre São Luís e o porto de Itaqui, reduzindo a
distância de 36 km para 9 km;
• Promover o saneamento de áreas a montante do barramento, através da criação
da represa que submergeria os manguezais e lodo existentes, os quais eram
descobertos nos períodos de baixamar;
• Favorecer a ocupação imobiliária, decorrente do crescimento da cidade, para o
estabelecimento de novas áreas urbanas formadas desde que os níveis de maré,
após a construção da barragem, não atingiriam mais aquelas cotas de inundação;
Uma eclusa de navegação foi solicitada no projeto pelo Departamento Nacional
de Portos e Vias Navegáveis – Portobrás e o Departamento de Estradas de Rodagem –
DER/MA, com o objetivo de não bloquear a navegação entre o trecho estuarino e o
reservatório formado pela barragem, entretanto, a construção da eclusa não foi realizada
(Eletrobrás, 1980).
As obras de construção da barragem foram iniciadas em 1968, sofrendo várias
paralisações e, finalmente, concluída em 1973. Durante a elaboração, existiu um grande
interesse na implantação de um aproveitamento energético das marés. Em 1968, foi
sugerida ao governo do Estado do Maranhão a implantação de uma usina maremotriz
utilizando a infra-estrutura a ser construída. Entretanto, até hoje não há geração de
energia, em virtude de diversas circunstâncias que aconteceram desde a época da
construção da barragem. Os equipamentos necessários à geração de energia não foram
instalados.
Entre esses fatores está a ocupação urbana do entorno do reservatório, que se
deu principalmente na década de 1970. Após a construção da barragem do Bacanga, o
nível da água do reservatório foi mantido, aproximadamente, na cota 2,5 metros,
referente ao zero do IBGE, o que permitiu a ocupação de áreas marginais ao
reservatório que eram alagadas durante as preamares. A formação de um lago artificial,
através do represamento do rio, auxiliou no processo de urbanização e saneamento da
87
cidade. Em 1973, a inauguração da Avenida Médici dentro dos limites da área inundada
do lago obrigou a manutenção do nível da lâmina de água bem abaixo da sua real
capacidade de acumulação e contribuiu ainda mais para a ocupação de áreas que
naturalmente ficavam submersas na maré enchente, como é o caso dos bairros de
Areinha, Coroado e Coroadinho.
Em 1976, um acidente ocorrido, como conseqüência da falta de manutenção e
uso descontrolado das comportas, a comporta do vão central foi avariada, ocasionando a
entrada e a saída de água, de forma não planejada, através da barragem. Estudos
conduzidos pela Sondotécnica (Eletrobrás, 1980) e NEA/UFMA (Lima et al., 2005)
apontam valores do nível do reservatório, a partir de 1976, entre 3,0 e 4,0 metros e 3,5 e
4,5 metros, respectivamente. Atualmente existe a possibilidade de implantação da usina
elétrica, mantendo o nível do reservatório abaixo das cotas que possam comprometer
tais áreas ocupadas ou seus sistemas de esgotamento sanitário e pluvial.
4.3- Concepção Proposta
A existência de uma barragem construída sobre o rio Bacanga sugere a
implantação de uma usina maremotriz, uma vez que é comprovado o potencial
energético do estuário. A região da baía de São Marcos é reconhecida devido a suas
grandes variações de nível da maré, tendo sido, portanto, objeto de diversas iniciativas
de exploração de seus recursos energéticos. Especificamente, o estuário do rio Bacanga,
após a construção da barragem, recebeu alguns projetos conceituais para a implantação
de uma usina. Apesar das limitações impostas ao longo da existência da barragem, isto
é, o assoreamento, a ocupação do entorno do reservatório e a degradação das estruturas,
é possível a implementação de uma usina maremotriz considerando esses fatores.
A proposta de estabelecer uma usina maremortriz no estuário do rio Bacanga
teria como objetivos principais:
• Gerar eletricidade para o suprimento de, aproximadamente, 800
domicílios, no horário de pico, ou a demanda do campus universitário do
Bacanga, pertencente à Universidade Federal do Maranhão;
88
• Configurar-se como usina piloto para o desenvovimento de tecnologia e
recursos humanos em projetos que utilizem as marés como fonte de
energia;
• Impor um novo regime de operação à barragem, uma vez que as
comportas do sistema de tomada de água estariam, permanentemente,
abertas durante a geração de energia, contribuindo para o bom
funcionamento do escoamento fluvial;
• Melhorar a qualidade ambiental do reservatório, através do processo de
renovação da água, proporcionado pela geração maremotriz, ocasionando
impacto positivo no ecossistema do estuário;
• Harmonizar a implantação da usina maremotriz aos demais usos do rio
Bacanga, tais como a pesca, a ocupação antrópica, as condições de
habitação, a recreação e o controle de inundações, no contexto do uso
múltiplo de reservatórios;
• Provocar a revitalização da área, através da recuperação ambiental e
paisagística, transformando-a em atrativo turístico que resultaria na
inserção da população local, criação de empregos e geração de renda.
A usina maremotriz proposta aproveitará os componentes existentes, tais como a
barragem, abertura de comportas e outras facilidades, aos quais será acrescentado um
sistema de tomada de água e turbinas para a geração de energia. O modo básico de
operação será o de geração em maré vazante e enchente, isto é, haverá produção de
energia nos sentidos reservatório-mar e mar-reservatório.
Em relação aos equipamentos eletromecânicos, uma das alternativas seria a
adaptação de turbinas hélice de eixo vertical às condições de mínimas alturas
manométricas e altas vazões características dos aproveitamentos maremotrizes. Para
garantir maior tempo de geração e maior quantidade de energia, o modo de operação
adotado é o de bacia simples em duplo efeito.
Devido à ocupação do entorno e aos demais usos do reservatório, como a pesca e
as condições de habitação, a variação do seu nível será limitada, embora sendo
suficiente para perfazer o volume de água a ser utilizado no acionamento das turbinas
no sentido reservatório-mar. No lado externo da barragem, o nível de água permanecerá
89
livre para variar de acordo com a maré e, desta forma, obter-se-ão os desníveis
necessários para a geração de eletrecidade.
Para a geração no sentido mar-reservatório, será empregada uma série de
turbinas fixas acima do nível do reservatório, que terá variação limitada ao longo do
ciclo. No lado externo da barragem, será empregada uma série de turbinas móveis,
dispostas em plataforma flutuante dotada de guias, que acompanhará a variação de nível
da maré. Não haverá geração de eletricidade entre as mudanças de sentido da maré, pois
não há desnível entre o mar e o reservatório.
A operação consiste em quatro estágios diferenciados que se repetem a cada
ciclo de maré (Figura 4.6). 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.
Figura 4.6: Esquema de operação da usina
90
5- Resultados
A avaliação de um local favorável ao aproveitamento maremotriz foi realizada
através de um estudo de caso no estuário do rio Bacanga, devido às grandes variações
de maré ali observadas, a presença de uma barragem construída e, por essas razões, já
foi objeto de algumas iniciativas no Brasil para sua exploração como fonte energética.
Diversos aspectos relacionados com o levantamento no local, modelagem e avaliação
energética foram abordados em diferentes graus de profundidade, destacando aqueles
enumerados no capítulo 3 da metodologia.
A partir dos levantamentos batimétricos realizados a montante e a jusante da
barragem torna-se possível obter a geometria do reservatório e os parâmetros de entrada
para a modelo hidrodinâmico do trecho estuarino. Um registro de marés observadas foi
utilizado na previsão de marés para estimar a altura de maré horária em qualquer
período requerido. O modelo de geração de energia estima a produção teórica de
eletricidade a partir dos valores de desníveis entre o reservatório e respectivas vazões,
provenientes das outras etapas descritas no presente trabalho.
5.1- Levantamento batimétrico
Para obtenção dos dados batimétricos, foi realizado um levantamento no estuário
do rio Bacanga em janeiro de 2007. A área coberta pelo levantamento foi de
aproximadamento 6,4 km², sendo 2,6 km² o trecho a montante da barragem até o
estreitamento do rio e 3,8 km² o trecho a jusante até a margem direita do Anil e ponta de
São Francisco. Deste ponto em diante, foi utilizada a carta náutica n° 412 - Baía de São
Marcos, Proximidades do Terminal da Ponta da Madeira e Itaqui, datada de 1962, para
extração da batimetria até a Baía de São Marcos.
Os objetivos principais deste levantamento batimétrico foram:
• Elaboração de mapa batimétrico da área de estudo;
• Utilização como entrada em um modelo numérico para simulação da circulação
hidrodinâmica;
91
• Avaliação da viabilidade física e técnica da implantação de uma usina
maremotriz.
Os equipamentos utilizados consistiram, basicamente, de uma ecossonda/GPS,
da marca Furuno®, modelo GP1650 WF, com auxílio de um computador portátil para
aquisição dos dados. Esta ecossonda/GPS compreende uma unidade display, conectada
a uma antena GPS e a um transdutor submerso. O trandustor trabalha com a emissão de
pulsos nas freqüências de 50 kHz ou 200 kHz e calcula a profundidade através da
diferença de tempo entre a emissão e a recepção do sinal, capaz de detectar
profundidades entre 0,5 e 800 metros com precisão de 0,1 metros. A amostragem de
dados de profundidade é feita em intervalos de 2 segundos. O posicionamento GPS do
equipamento, de acordo com o fabricante, permite uma precisão inferior a 10 m de raio
e adquire valores de posição da embaracação em intervalos de 1 segundo.
Na Figura 5.1, são mostrados a ecossonda e o transdutor utilizados no
levantamento.
A escala adotada para o levantamento foi a de 1:5.000 e tinha como objetivo a
obtenção de uma batimetria bem detalhada. O espaçamento entre as linhas de
sondagem, segundo norma para levantamentos hidrográficos da Marinha (Marinha,
2007), não deve ser maior que 10 mm observado na carta elaborada com a escala
adotada, conforme indicado na expressão 5.1.
oespaçamentmm10
50001
= espaçamento = 50 m (5.1)
Figura 5.1 : Ecossonda GP 1650 WF, Furuno e transdutor de bronze
92
Logo, o espaçamento das linhas de sondagem resultou em 50 metros. Em relação
ao espaçamento entre as sondagens, a norma da Marinha determina que esta não deve
ser inferior a 5 mm, o que corresponde a 25 m neste caso. Entretanto, considerando a
taxa de amostragem do transdutor de 2 segundos e uma velocidade da embarcação de 4
m/s, o intevalo entre as sondagens seria de, aproximadamente, 8 metros.
Tendo como objetivo a simplificação da campanha e redução dos custos, o
método de posicionamento das sondagens foi através do sistema de posicionamento de
satélite GPS do próprio equipamento de sondagem. Desta forma, qualquer serviço de
apoio em terra é dispensado sem prejuízo na determinação do posicionamento. Todavia,
o sistema de posicionamento deve obter a posição verdadeira dentro de um círculo de
1,5 mm de raio na escala adotada, com uma probabilidade de 95 %. Considerando a
precisão do equipamento e a escala adotada no levantamento e utilizando a distribuição
normal de probabilidade obtém-se o cálculo da precisão da posição das sondagens,
equação 5.2.
σµ−
=xz z = 1,96 para 95 %
Onde, z é a variável reduzida para 95 % de probabilidade;
x são as medidas realizadas;
µ é a média das medidas;
x- µ representa a tolerância para o posicionamento, que é igual a 1,5
mm.dE
dE é o denominador da escala, igual a 5.000.
mmm 75,396,1
5000.5,1==σ (5.2)
A precisão normatizada para o levantamento na escala adotada, a um nível de 95
% de probabilidade é de 3,75 metros, inferior à precisão do equipamento que é de até 10
metros. Portanto, poderia ser aumentada a escala do levantamento para 1:15.000, na
qual o nível de confiança ficasse maior que 95 %. Todavia, decidiu-se neste
levantamento trabalhar com a escala 1:5.000 e reduzir o nível de probabilidade para 55
%. Caso o sistema DGPS fosse utilizado na mesma escala adotada, a precisão no
posicionamneto ficaria em 87 %, ainda inferior ao requerido por norma.
93
Quanto à precisão das profundidades obtidas no levantamento, a norma
determina que o erro total na medida não deve exceder 0,3 metros em profundidades de
0 a 30 metros e 1 % das profundidades para aquelas maiores que 30 metros, com uma
probabilidade de 90 %. Neste caso, a variável reduzida z da distribuição normal é igual
a 1,64 e a tolerância (x-µ) deve ser inferior a 0,3 metros. Então, a equação 5.3 calcula o
limite do erro na medição da profundidade.
mmz
x 18,064,13,0
==−
=µσ (5.3)
O valor encontrado de 0,18 metros é superior à precisão do equipamento igual a
0,1 metros, sendo a sua utilização adequada na medição de profundidade. O nível de
probabilidade neste caso seria de 99,7 %, portanto maior que o requerido de 90 %.
O erro relacionado ao nível de redução, utilizado para descontar a interferência
da maré durante a obtenção das profundidades, deve ser inferior aos erros aceitos para
as profundidades especificadas anteriormente. Simultaneamente ao levantamento
batimétrico, as alturas de maré foram observadas, com a finalidade de utilizá-las para a
correção das profundidades adquiridas, segundo a equação 5.4.
PS = PR – hM (5.4)
Onde PS é a profundidade na sondagem
PR é a profundidade real
hM é a altura da maré no instante da sondagem
Foram empregadas duas réguas graduadas com espaçamento de 0,1 metros para
ser efetuada a leitura das alturas de maré durante os trabalhos de batimetria. A régua
colocada a jusante da barragem possui 7,0 metros e foi fixada no platô da estrutura entre
dois vertedores, na cota 4,56 metros do IBGE. A montante, a régua era menor,
possuindo 4,8 metros, em virtude da variação do nível de água no reservatório ser
menor do que a jusante. Esta foi instalada na cota 6,03 metros do IBGE. As cotas de
instalação de ambas as réguas foram adotadas como referências de nível RN1 e RN2,
respectivamente.
94
A medição foi realizada durante quatro dias, sendo o primeiro destinado à
preparação e montagem dos equipamentos, bem como, a instalação das réguas. Para a
medição da área a jusante da barragem, especial atenção foi dada ao horário das
preamares, concentrando-se a amostragem dos pontos em torno deste período. Desta
maneira, foi assegurado o levantamento de uma maior área. As rotas seguidas pela
embarcação formam transversais ao talvegue do rio, como sugerido para este caso. O
percurso realizado pela embarcação ao longo do levantamento é a apresentado na Figura
5.2.
A ecossonda/GPS utilizada possui a capacidade de armazenar pontos e rotas,
através de suas coordenadas, para orientar a navegação. Um algoritmo, baseado nas
equações de Vicenty, foi elaborado para o planejamento dos pontos extremos das linhas
de sondagem, proporcinando a determinação das rotas. O método de Vicenty,
empregado neste algoritmo, considera as coordenada geográficas do primeiro ponto, a
distânica e o azimute até o segundo ponto para calcular as coordenadas do segundo
ponto e, assim, sucessivamente. As coordenadas de todos os pontos extremos do
levantamento foram introduzidas no ecobatímetro, gerando automaticamente e
apresentando na tela as rotas a serem percorridas. A Figura 5.3 mostra a calculadora do
algoritmo.
Figura 5.2: Linhas de sondagem do levantamento batimétrico (Coordenadas em UTM)
95
Durante as medições, a tela do ecobatímetro descreve os atributos do ponto
amostrado, tais como o datum horizontal escolhido, a latitude e longitude, a
profundidade, a data e hora entre outros. Essas informações são repassadas para um
computador portátil, sendo gravadas em um arquivo texto. Na Figura 5.4, a
apresentação das informações na tela do ecobatímetro/GPS é mostrada.
Na fase de processamento dos dados, outro algoritmo em Matlab foi empregado
para a filtragem, organização e correção dos dados coletados. As observações de maré
foram interpoladas em intervalos equivalentes aos dados de profundidade aquisitados,
para que pudessem ser descontados na correção da batimetria.. No trecho a montante da
barragem não foi necessário efetuar correção devido ao fato da curta duração da
medição e das comportas encontrarem-se fechadas durante o período, que reultaram em
pouca varição do nível em até 3 centímetros, portanto abaixo da precisão dos
equipamentos empregados.
Para possibilitar o cálculo de área e volumes do reservatório e do trecho
estuarino, os dados de profundidade foram interpolados a fim de obter uma
homogeneidade do fundo do rio. O programa Surfer 8.0 (Golden Software, 2002) foi
Figura 5.3: Calculadora do algoritmo de Vicenty adaptado para o levantamento batimétrico
Figura 5.4: Dados de apresentação na tela do ecobatímetro e saída para o computador
96
empregado para a manipulação, espacialização dos dados e, também, cálculo de área e
volume. A Figura 5.5 mostra as linhas isóbatas do reservatório do Bacanga e as Figuras
5.6 e 5.7 apresentam uma visualização tridimensional desta batimetria.
Figura 5.5: Levantamento batimétrico do reservatório realizado em 2007 (Cotas referenciadas ao zero da DHN)
Figura 5.6: Batimetria do reservatório visto em superfícies isóbatas (Cotas referenciadas ao zero da DHN, latitude e longitude em graus)
97
A curva cota x área x volume foi elaborada a partir dos valores encontrados pelo
Surfer para cada nível de enchimento do reservatório. A Figura 5.8 mostra a curva cota
x área x volume para o reservatório.
0
5
10
15
20
25
30
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0Cota z (m)
Áre
a (k
m²);
Vol
ume
(hm
³)
área (km²)volume (hm³)
Figura 5.7: Batimetria do reservatório vista em 3 dimensões
Figura 5.8: Curva cota x área x volume do reservatório
98
As Tabelas 5.1 (a) e (b) apresentam os valores de área e volume do reservatório
para as cotas de enchimento, calculadas a partir do levantamento batimétrico realizado
em 2007 e aquele realizado em 1980 pela Sondotécnica (Eletrobrás, 1980),
respectivamente.
Os valores de área do reservatório na Tabela 5.1(a) não puderam ser calculados
acima da cota 3 metros em virtude do nível do resrvatório se encontrar por volta desta
cota na ocasião do levantamento, não havendo serviços de complementação em terra
para determiná-los. Por outro lado, os valores de volume foram calculados através de
extrapolação. Comparando as Tabelas 5.1(a) e (b), os valores de volume são menores
em 2007 do que em 1980 para as cotas inferiores a 3 metros, o que pode significar que
houve processo de assoreamento ao longo deste período.
A seguir, nas Figuras 5.10, 5.11 e 5.12 está apresentado o mapeamento da
batimetria do estuário, realizado a partir do levantamento batimétrico de 2007. Pode ser
observado o avançado grau de assoreamento causado, principalmente, pela deposição de
sedimentos marinhos oriundos das praias do litoral da ilha e carreada pelas correntes de
maré. Na Figura 5.11, pode ser observado o canal principal do rio Bacanga,
caracterizado por tons de vermelho, e suas áreas de inundação em tons de azul. Apenas
o canal principal permanece abaixo do nível de água durante a baixamar.
cota z (m) área (km²) volume (hm³) cota z (m) área (km²) volume (hm³) 0 0,56 0,64 0 - 0
0,5 0,81 0,99 0,5 - 0,7 1 1,09 1,46 1 1,4 1,6
1,5 1,57 2,11 1,5 1,8 2,8 2 2,48 3,10 2 2,1 3,8
2,5 5,19 4,95 2,5 2,4 5,1 3 5,85 7,72 3 2,7 6,3
3,5 - 10,65 3,5 3,1 7,5 4 - 13,58 4 3,4 9,1
4,5 - 16,50 4,5 3,8 11 5 - 19,43 5 5,2 13,4
5,5 - 22,36 5,5 8 16,6 6 - 25,28 6 11 20,7
6,5 - 28,21 6,5 13,6 26,6 7 - - 7 15,4 32,5
Tabela 5.1 (a) e (b): Áreas e volumes do reservatório em relação à sua cota de enchimento
(a) Levantamento de 2007 (b) Levantamento de 1980 (Eletrobrás, 1980)
99
Figura 5.9: Levantamento batimétrico do estuário realizado em 2007 (Cotas referenciadas ao zero da DHN)
Figura 5.10: Batimetria do estuário visto em superfícies isóbatas (Cotas referenciadas ao zero da DHN, latitude e longitude em graus)
100
5.2- Previsão de maré
A região da baía de São Marcos possui um complexo portuário composto pelos
portos de São Luís e Itaqui e terminais da Ponta da Madeira e Alumar, os quais possuem
algum tipo de dado de maré observada. Esses dados são disponibilizados pela Marinha e
pela FEMAR e, geralmente, são registros caracterizados pelo seu curto período de falta
de continuidade da observação. A DHN da Marinha dispões de dados de marés
observadas nos dois portos e dois terminais mencionados anteriormente.
A proximidade dos valores de altura de maré nas referidas estações pode ser
explicada por se tratar da mesma onda de maré, que se propaga pela baía de São Marcos
com poucas perdas de amplitude, porém apresentando diferença de fase. O registro de
marés do terminal da Ponta da Madeira foi escolhido para a realização da previsão de
marés devido ao fato de cobrir o maior tempo de medição, de janeiro de 1991 a janeiro
de 1996.
Figura 5.11: Batimetria do reservatório vista em 3 dimensões
101
Figura 5.12 (a): Alturas de maré durante o mês de janeiro em Ponta da Madeira
-3,50
-3,00
-2,50
-2,00
-1,50
-1,00
-0,50
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
2/1/91 0:00 7/1/91 0:00 12/1/91 0:00 17/1/91 0:00 22/1/91 0:00 27/1/91 0:00 1/2/91 0:00
Data
Altu
ra (m
)Janeiro/91
As Figuras 5.12 (a) e (b) mostram o comportamento das marés em Ponta da
Madeira ao longo de um mês em dois períodos distintos do ano.
A previsão de maré pode ser realizada no programa Matlab (2000), através do
pacote T_TIDE desenvolvido por Foreman (2004) e reescrito para o MATLAB por
Pawlowicz et al. (2002). Este pacote consiste em uma série de rotinas que realizam os
cálculos para a análise harmônica e previsão de maré.
No módulo de análise harmônica do T_TIDE, foram calculadas as componentes
harmônicas na região da Baía de São Marcos, possíveis de serem determinadas a partir
da série observada. O nome das componentes, sua frequência, amplitude e fase, bem
como os erros associados, estão relacionadas na Tabela 5.2.
-3,5
-3
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
1/7/91 0:00 6/7/91 0:00 11/7/91 0:00 16/7/91 0:00 21/7/91 0:00 26/7/91 0:00 31/7/91 0:00
Data
Altu
ra (m
)
jul/91
Figura 5.12 (b): Alturas de maré durante o mês de julho em Ponta da Madeira
102
Nomes Frequência Amp. (m) erro (m) Fase (°) erro (°)
M2 0,08051 210,140 1,580 157,6 0,4 S2 0,08333 57,932 1,507 264,4 1,9 N2 0,07900 38,079 1,505 80,2 2,4 K2 0,08356 16,952 1,694 69,0 4,7 L2 0,08202 13,849 1,664 35,6 5,9 K1 0,04178 10,237 0,345 71,1 2,0
NU2 0,07920 10,149 1,543 131,9 8,7 O1 0,03873 9,825 0,364 343,1 2,3
MU2 0,07769 9,342 1,432 181,9 10,0 2N2 0,07749 7,920 1,625 19,4 11,7
LDA2 0,08182 5,529 1,778 321,6 14,5 M4 0,16102 4,907 0,559 100,5 6,0
SSA 0,00023 4,079 1,571 249,1 21,8 MSN2 0,08485 3,233 1,533 115,7 26,9
M6 0,24153 3,188 0,340 161,1 5,8 EPS2 0,07618 3,121 1,477 76,0 31,6 2MS6 0,24436 3,101 0,320 258,3 5,2
P1 0,04155 3,042 0,381 73,3 7,5 MS4 0,16384 2,413 0,533 241,4 13,3 OQ2 0,07598 2,140 1,498 307,1 43,2 M3 0,12077 2,014 0,285 74,5 7,9 MF 0,00305 1,900 1,520 225,4 46,4
MKS2 0,08074 1,842 1,518 89,2 43,6 2MN6 0,24002 1,756 0,349 79,6 11,0
Q1 0,03722 1,687 0,398 264,6 13,1 MN4 0,15951 1,432 0,564 32,0 18,5 MO3 0,11924 1,344 0,291 52,5 11,7 NO1 0,04027 1,167 0,337 341,0 18,8 MM 0,00151 1,096 1,457 62,2 95,5 MSF 0,00282 1,049 1,465 305,6 82,8 2SM6 0,24718 1,029 0,361 356,8 17,9
Na seqüência, uma série de alturas de maré horárias foi criada através do módulo
de previsão de maré. As séries criadas a partir deste processo de previsão de maré
poderão se configurar como suporte para todo o funcionamento de uma usina a ser
implantada. A principal variável na geração de energia hidrelétrica é a altura de queda, a
qual é calculada a partir das alturas de maré atuante, descontando, eventualmente, as
dimensões dos equipamentos, folgas, perdas de carga, entre outros.
Uma análise de fequência das alturas de maré foi realizada com a finalidade de
se determinar as situações extremas de operação da usina. Os valores anuais mínimo e
máximo encontrados para as alturas de maré em Ponta da Madeira foram de 2,4 e 6,2
Tabela 5.2: Componentes harmônicas de maré maiores que 1 cm em Ponta da Madeira
103
metros respectivamente. A curva de permanência das alturas de maré foi construída a
partir desta informações e está apresentada na Figura 5.13.
As séries criadas a partir deste processo de previsão de maré poderão configurar-
se como suporte para todo o funcionamento de uma usina a ser implantada. A principal
variável na geração hidrelétrica é a altura de queda, a qual é calculada a partir das
alturas de maré atuante, descontando, eventualmente as dimensões dos equipamentos,
folgas, perdas de carga entre outros.
5.3- Modelo de geração de energia
Os resultados obtidos nas seções anteriores serviram como dados de entrada para
elaboração de um modelo matemático de geração de energia. O modelo baseia-se nas
teorias de Bernshtein (1961), Gibrat (1966), Prandle (1984) e Godin (1988), utilizando
as equações de energia hidráulica adaptadas para os esquemas maremotrizes. A energia
gerada dependerá, basicamente, das alturas de queda, das vazões aduzidas e da
eficiência dos equipamentos eletromecânicos funcionando sob essas condições.
Figura 5.13: Curva de permanência das alturas de maré em Ponta da Madeira
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
0 20 40 60 80 100Freqüência (%)
Altu
ras
de m
aré
(m)
104
Este modelo simula a geração de energia a cada hora a partir dos dados de altura
de queda, vazão, níveis, áreas e volumes do reservatório e estuário. As alturas de maré
previstas são a base para o cálculo das alturas de queda bruta. Por outro lado, a
determinação da altura de queda disponível dependerá do conhecimento das estruturas e
equipamentos a serem utilizados na geração hidrelétrica. Os resultados horários do
modelo são subsídios para a operação da usina.
Para determinação das alturas de marés alcançadas ao longo do ano na região do
Bacanga, o modelo utiliza os resultados obtidos através da previsão das marés em Ponta
da Madeira. Na Tabela 5.3, são apresentadas as freqüências das alturas de maré no
terminal da Ponta da Madeira no período de 01/1991 a 12/1995.
O nível de água instantâneo do estuário do Bacanga é encontrado através da
soma entre a amplitude da maré e o nível mínimo da água, dado pela equação 5.5.
Zmar = 0,59 m + ζmaré (5.5)
Onde, Zmar é a cota do estuário
ζmaré é a altura da maré
A altura bruta de queda, Hb, é calculada a partir da diferença entre as cotas do
estuário e do reservatório, conforme apresentado na equação 5.6.
)()()( tZtZtH marresb −= (5.6)
Em termos de uma maré com 4,4 metros, equivalente a 50 % de frequência e
considerando o nível atual do reservatório, situado em 3,2 metros, a altura de queda
bruta será de, aproximadamente, 2,5 metros.
Amplitudes Freqüência
h > 2 m 100,0% h > 3 m 94,7% h > 4 m 67,2% h > 5 m 27,3% h > 6 m 1,8%
Tabela 5.3: Freqüência das alturas de maré em Ponta da Madeira
105
Ambas as cotas do reservatório, Zres, e do estuário, Zmar, são funções do tempo,
sendo implementadas no modelo através de lista de dados geométricos do reservatório e
dados de maré, respectivamente. A equação 5.7 apresenta uma formulação deste
cálculo.
tztZtH resb ωζ cos)()( 0 −+= (5.7)
As vazões aduzidas pelas turbinas foram determinadas a partir do volume de
água possível de ser retirado do reservatório sem causar interferência nas demais
atividades realizadas neste e, simultaneamente, suficiente para gerar uma quantidade
razoável de energia.
A variação da altura da maré também implica na variação da vazão, pois esta
depende da velocidade potencial ghv 2= . A potência da usina dependerá
simultaneamente das alturas de queda disponíveis e das vazões aduzidas. A vazão
máxima que poderá ser utilizada neste aproveitamento, considerando as limitações de
nível do reservatório, será:
resres ZAV ∆=∆ . (5.8)
Onde, ∆V é a variação de volume (m³)
∆Zres é a variação do nível do reservatório (m)
Ares é a área do reservatório (m²)
Limitando a variação de nível, ∆Zres, a 0,60 metros e sendo a área do
reservatório, AR, igual a 3 km² para a cota de 3,2 metros calculada pela batimetria atual,
a variação de volume admitida será de, aproximadamente, 1.800.000 m³. A duração da
geração da energia é função da altura da maré, resultando no intervalo de T/3 a 5/6 T,
para as marés mínima e máxima respectivamente. A vazão média, ao longo do tempo de
geração da maré média de 4,4 metros, será de 450.000 m³/h ou 125 m³/s.
Considerando a diferença entre as cotas do estuário e reservatório, a altura de
maré de 50% de freqüência, estimada em 4,4 m e a vazão de 125 m³/s, equivalente a
uma variação de 60 cm no reservatório, a potência máxima teórica está mostrada na
equação 5.9.
106
MWZZQgP resm 14,3)5,27,5.(5,55.1025.81,9).(.. %50 =−=−= ρ (5.9)
Onde, Z50% é a cota máxima equivalente à maré de 50% de freqüência (m)
Zres é a cota do reservatório (m)
ρm é a massa específica da água do estuário (kg/m³)
E a energia produzida por ciclo de maré está apresentada na equação 5.10.
ciclokWhdtQZZgEt
tresmciclo /10.5,9.).(.. 3
2
1%50 =−= ∫ρ (5.10)
Os resultados obtidos através do modelo de geração de energia para outras
alturas de maré, ordenadas conforme ocorrem diariamente no estuário do Bacanga são
apresentados na sequência. As quedas inferiores a 1 metro foram desconsideradas para a
geração de energia, porque estas são ínfimas para o acionamento de uma turbina. A
Figura 5.14 mostra as diferenças de nível entre o estuário e reservatório quando da
ocorrência da maré de 50 % de freqüência e altura de 4,4 metros. O gráfico de potência
instantânea para esta maré média é apresentado na Figura 5.15.
Figura 5.14: Níveis do estuário e do reservatório para a maré de h = 4,4 m (Cotas referidas ao zero da DHN)
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
0:00 4:48 9:36 14:24 19:12 0:00tempo (h)
níve
is (m
)
estuário reservatório
107
Conforme observado na Figura 5.14, os níveis do reservatório possuem uma
variação modesta em relação ao nível do estuário, em virtude das limitações impostas
pelos demais usos do reservatório. A cota atual do reservatório encontra-se em torno de
3,2 metros acima da cota zero da DHN, ao passo que, estima-se que não haja
implicações para seu enchimento até a cota 5,0 metros. Na Figura 5.15, a operação da
usina será em intervalos de 4,1 horas de geração por ciclo de maré, alternando com
períodos de 1,1 hora de não geração. A potência máxima para esta maré será de
aproximadamente 3 MW.
As Figuras 5.16 e 5.17 apresentam a potência instantânea da usina para dois
diferentes dias de geração de eletricidade, em maré de quadratura e em maré de sizígia.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
7:00
9:00
11:00
13:00
15:00
17:00
19:00
21:00
23:00 1:0
03:0
05:0
07:0
0
tempo (h)
potê
ncia
inst
antâ
nea
(kW
)
h = 3,9 m
Figura 5.16: Esquema típico de um dia de geração na maré de quadratura
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:0
0
11:0
0
12:0
0
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0
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0
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0
19:0
0
20:0
0
21:0
0
22:0
0
23:0
0
tempo (h)
potê
ncia
inst
antâ
nea
(kW
)
h = 4,4 m
Figura 5.15: Esquema de geração para a maré média h = 4,4 m
108
Em períodos de maré de quadratura, a energia gerada pela usina será menor,
devido ao fato das amplitudes de maré serem menores. A potência máxima em um dia
de maré com altura de 3,9 metros será, aproximadamente, 2,5 MW. Por outro lado, na
maré de sizígia, a produção de energia será maior, como também a eficiência da usina,
em virtude das grandes amplitudes de maré, que ocasionam maiores alturas de queda.
Para a maré com 5,8 metros de variação, a potência máxima será de 4,5 MW.
Ao longo de um mês, pode ser observado a variação semanal das marés que
influenciam na geração maremotriz. A descontinuidade na geração é própria de muitas
fontes renováveis, que aproveitam recursos intermitentes da natureza. Obviamente, a
necessidade da complementação com outro sistema de energia é desejável. Todavia, a
energia das marés é a mais previsível entre estas fontes e, por esta razão, o modelo de
geração de energia ora apresentado tem capacidade de estimar a geração de energia
através dos anos.
Na Figura 5.18, é apresentada a variação da potência ao longo de um mês.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
4:01
6:01
8:01
10:01
12:01
14:01
16:01
18:01
20:01
22:01 0:0
12:0
14:0
1
tempo (h)
potê
ncia
inst
antâ
nea
(kW
)
h = 5,8 m
Figura 5.17: Esquema típico de um dia de geração na maré de sizígia
109
Figu
ra 5
.18:
Esq
uem
a típ
ico
de u
m m
ês d
e ge
raçã
o
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
0:0012:00
0:0012:00
0:0012:00
0:0012:00
0:0012:00
0:0012:00
0:0012:00
0:0012:00
0:0012:00
0:0012:00
0:0012:00
0:0012:00
0:0012:00
0:0112:01
0:0112:01
0:0112:01
0:0112:01
0:0112:01
0:0212:02
0:0212:02
0:0212:02
0:0212:02
0:0212:0223:5911:5923:5911:5923:5911:5923:5911:5923:5911:5923:5911:5923:5911:5923:5911:5923:5911:59
tem
po (h
)
potência instantânea (kW)
110
A estimativa diária de produção de energia para as marés máxima, média e
mínima, ocorridas na região de São Luís, estão apresentadas na Tabela 5.4.
Altura de Maré Vazão Energia produzida
(m) (m³/s)
Rendimento dos equipamentos
conversores (%) (kWh/dia) 0,85 47.702 125 0,70 39.284 0,85 33.963
6,4 (máxima)
89 0,70 27.970 0,85 30.600 125 0,70 25.200 0,85 21.787
4,4 (média)
89 0,70 17.942 0,85 12.906 125 0,70 10.629 0,85 9.189
2,4 (mínima)
89 0,70 7.568
Nesta Tabela, foram consideradas as vazões constantes ao longo da geração e
valores arbitrados para o rendimento dos equipamentos conversores de eletricidade. A
quantidade de energia gerada nesses cenários é equivalente ao consumo de 2.000 a
10.000 domicílios fora do horário de pico.
A energia teórica produzida anualmente, estimada pelo modelo de geração de
energia, é equivalente a 14.000.000 kWh/ano, considerando a operação real da usina e
100 % de eficiência total.
Tabela 5.4: Estimativa de produção de energia
111
6- Sumário, Conclusões e Recomendações
6.1 - Sumário
As energias renováveis configuram-se como uma das soluções energéticas
recomendadas nos debates sobre desenvolvimento sustentável, em conjunto com outras
medidas como o aumento da eficiência energética ou a cobrança de custos ambientais
das alternativas poluentes. Neste sentido, o desenvolvimento de novas fontes
energéticas torna-se importante para a diversificação da matriz energética mundial e a
mitigação dos impactos ambientais globais. Além do que, as energias renováveis podem
suprir as necessidades de comunidades que não possuem infra-estrutura adequada,
tornando-se um vetor de desenvolvimento local e democratizando o acesso à energia
elétrica.
Dentre as fontes renováveis de energia, grande parte destas trata-se de regaste
de antigas idéias, revestidas de novidades tecnológicas e com incremento de eficiência.
Um exemplo ocorre com a energia das marés, a qual foi utilizada na Idade Média,
através dos moinhos de maré para a moagem de grão, peneiramento da farinha,
fabricação de forjas e papéis entre outros. Recentemente, a utilização da energia das
marés está voltada para a geração de eletricidade, através de barragens, extraindo sua
energia potencial, ou de turbinas submersas, aproveitando a sua energia cinética.
A energia maremotriz é uma fonte renovável e não poluente. Como a maior
parte das fontes renováveis, tem o seu custo de instalação alto, entretanto, possui baixos
custos de manutenção pelo fato de funcionarem a partir de fenômenos estritamente
naturais. As suas vantagens econômicas e energéticas são justificadas em virtude da
vida útil do aproveitamento.
As atividades de pesquisa e desenvolvimento da exploração das marés como
fonte de eletricidade estão inseridas no panorama criado nos últimos trinta anos,
caracterizado pela introdução de novas fontes energéticas e aproveitamento das
potencialidades locais para a exploração destas fontes. Ao redor do mundo, diversos
países estão convergindo seus esforços para tornar a exploração das energias
renováveis, inclusive a maremotriz, adequada aos rumos que estão sendo tomados pelos
setores energético e ambiental. Países como a França e o Canadá estabeleceram dois
modelos de usinas maremotrizes, La Rance e Annapolis, que influenciaram bastante nos
112
projetos elaborados posteriormente, como também, indiretamente, fomentaram
desenvolvimento de novas turbinas hidráulicas.
Mais recentemente, pesquisas relativas ao aproveitamento das energias do mar,
especificamente, ondas, marés e correntes de maré, vêm sendo desenvolvidas no Reino
Unido. O projeto de uma usina de marés sobre o rio Severn é debatido há quase um
século, devido, primeiramente, a impactos econômicos e, posteriormente, ambientais.
Embora, atualmente, o alto custo da energia no mercado e a sua implantação
dispensando o uso da barragem garantem a viabilidade desta usina.
No Brasil, existem possibilidades no Amapá, Pará e Maranhão para o
aproveitamento maremotriz contemplando a utilização de barragem, em virtude das
grandes amplitude de maré observadas nesta região. Entretanto, considerando o
aproveitamento da energia cinética das correntes de maré, uma grande parte do litoral
nacional poderia sediar a instalação de dispositivos conversores de eletricidade, desde
que o local escolhido tenha velocidades de corrente suficientes para o seu acionamento.
6.2 - Conclusões
O estuário do rio Bacanga, em São Luís do Maranhão, foi escolhido como
estudo de caso por apresentar características favoráveis à implantação de uma usina
maremotriz. A presença de uma barragem construída associada à grandes alturas de
maré, que podem alcançar até 6,5 metros, tornam o local propício para a construção de
uma usina piloto, que possibilitaria a consolidação do conhecimento sobre esta fonte
energética.
Desta forma, uma das principais contribuições desta dissertação foi a de elaborar
uma metodologia replicável para a avaliação de locais favoráveis à implantação de
aproveitamentos maremotrizes. No desenvolvimento de projetos com aplicação desta
metodologia é importante que sejam considerados outros objetivos, além da geração de
eletricidade, como os impactos sociais e econômicos decorrentes da implantação da
obra.
113
As atividades de levantamento de campo, processamento de dados e modelagem
são desejáveis para o processo de avaliação hidroenergética da região selecionada. A
seguir, estão enumerados os principais dados a serem obtidos para a investigação da
viabilidade de uma determinada região:
• Condições oceanográficas: marés, ondas, hidrografia, correntes etc;
• Condições climáticas e meteorológicas: clima, ventos, precipitação etc;
• Topografia, batimetria e geomorfologia;
• Condições sedimentológicas e geológicas.
No presente trabalho, os dados de batimetria do estuário do bacanga foram
obtidos através de levantamento local, conjugado com dados obtidos da carta náutica. A
determinação do volume de água a ser utilizada para a geração hidrelétrica inclui o
estudo geométrico do reservatório, traduzido na curva cota x área x volume. Esta curva
relacionou as cotas de depleção do reservatório com a área a ser descoberta ou inundada
do entorno ocupado pela população local e o volume de água disponível para a geração.
De acordo com os resultados obtidos, chegou-se ao valor de 5,7 hm³, considerado
suficiente para não interferir com os outros usos do reservatório.
Os dados maregráficos de uma estação próxima com registro de marés
observadas foram obtidos junto à DHN/Marinha. O registro de marés observadas era
pertencente ao terminal da Ponta da Madeira e foi utilizado na previsão de maré.
Através da análise harmônica, 59 componentes harmônicas da maré em Ponta da
Madeira foram obtidas. Em seguida, foi elaborado um registro de marés previstas para
que pudesse servir como entrada nos modelos hidrodinâmico e de geração de energia.
Uma abordagem estatística foi realizada para determinar a frequência das alturas de
maré e construir a curva de permanência.
Os resultados do modelo de geração de energia apontam para uma potência
média teórica de 3,14 MW da usina maremotriz do Bacanga, considerando a proposta
de aproveitamento com restrições ao uso do reservatório. A energia teórica produzida
através deste conceito da usina está entre o intervalo de 7.000 a 47.000 kWh/dia,
dependendo da maré incidente, da vazão admitida e da eficiência dos equipamentos
eletromecânicos, os quais apenas foram simulados no presente trabalho.
114
A partir dos resultados obtidos neste trabalho, o desenvolvimento do projeto
conceitual, com a utilização de turbinas de baixa queda, plataforma flutuante para as
turbinas e considerando, especialmente, as restrições encontradas atualmente, como a
ocupação do entorno, o assoreamento e a degradação das estruturas, faz com que a usina
maremotriz do Bacanga seja tecnicamente possível.
6.3 – Recomendações
Em virtude da diversidade dos aproveitamentos maremotrizes empregados em
cada local específico, torna-se necessário a complementação da metodologia para
avaliação de locais favoráveis à implantação desta fonte. Mais especificamente, em
aproveitamentos de correntes de maré, onde é imprescindível o conhecimento das
velocidades de corrente no exato ponto de instalação dos equipamentos, o uso de
técnicas indiretas de medição, como o sensoriamento remoto, é recomendado como
ferramenta útil nesta abordagem.
O aproveitamento da energia das marés através de sua energia potencial é
possível no estuário do Bacanga em virtude da existência de uma barragem construída.
Entretanto, os novos projetos de aproveitamento maremotriz podem sofrer restrições
quanto à implantação da barragem em um estuário devido aos impactos ambientais, os
quais deverão ser previstos detalhadamente. Assim sendo, a alternativa para futuros
projetos de aproveitamento maremotriz será a utilização de turbinas hidrocinéticas
submersas, extraindo a energia cinética das correntes geradas pela maré.
Mais estudos são necessários para avaliação do estuário, através de modelos
numéricos e/ou modelos fisicos, para a operação da usina e para a adaptação das
turbinas funcionando sob condições específicas do local.
Em relação aos benefícios ambientais provocados pela possível operação de uma
usina maremotriz, recomenda-se estudos mais detalhados nos âmbitos de qualidade da
água, de aspectos biológicos e de impactos ambientais em geral. Modelos numéricos de
qualidade de água em recursos hídricos podem ser utilizados para esta análise. Além
disso, os impactos positivos e negativos causados no meio antrópico, também, deverão
ser investigados de uma maneira mais ampla.
115
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Blue Energy, www.bluenergy.com
GCK, www.gcktechnology.com
EB, www.engb.com
Hidrocinetica, www.unb.br
120
Medições no Estuário
Levantamentos Batimétricos e Topográficos
Levantamentos Maregráficos e Oceanográficos
Levantamentos Climáticos e
Meteorológicos
Morfologia do estuário
Assoreamento
Modelo Hidrodinâmico
Amplitudes de maré
Ondas
Precipitação
Geometria do reservatório
Vazão
Sedimentos
Clima
Ventos
Previsão de Marés
Modelo de geração de
energia
Figura A.1: Fluxograma das atividades para avaliação de locais favoráveis ao aproveitamento maremotriz
Modelo Físico
121
Anexo 2 – Complexo portuário de São Luís
O complexo portuário de São Luís é constituído por quatro portos e terminais
formados pelo porto de São Luís, porto do Itaqui, terminal da Ponta da Madeira e
terminal Alumar (Figura A.2). O porto de São Luís é um porto de carga geral, abrigado
e de águas profundas com marés altas. O porto de Itaqui, também, é um porto de carga
geral e importa essencialmente combustíveis, GLP, fertilizantes e carga geral, enquanto
exporta alumínio ferro gusa, minério de ferro, soja e minério de manganês. O terminal
Ponta da Madeira pertence a Companhia Vale do Rio Doce e sua principal atividade é a
exportação de minério de ferro. O terminal Alumar pertence ao Consórcio Aluminíco do
Maranhão e exporta alumina e alumínio (Fonte: Maranhão, 2006).
Figura A.2: Mapa de São Luís e complexo portuário
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