Título: APROVEITAMENTO DA ENERGIA DAS ONDAS NO

BRASIL: UMA BREVE AVALIAÇÃO TÉCNICA E ECONÔMICA DO

SISTEMA SSG

Autor: Helder Alexandre Sousa Ferraz

Orientador: Florian Pradelle

MBE Energia

Resumo

Após definir e investigar os principais parâmetros que impactam o desempenho de sistema SSG

(Sea-wave Slot-cone Generator), a viabilidade técnica e econômica deste tipo de instalação na costa

brasileira foi investigada. Os dados utilizados neste estudo são derivados do Programa Nacional de

Boias (PNBOIA). Vários fatores foram simultaneamente considerados, incluindo o período e a

altura significativa da onda, a profundidade efetiva e a eficiência hidráulica. Os portos de Itaguaí

(RJ), Paranaguá (PR) e Rio Grande (RS) foram identificados como aqueles que podem satisfazer

as necessidades necessárias. Contudo, a percentagem de eficiência hidráulica alcançada, é menor

do que o sugerido na literatura como o nível mínimo aceitável. Além disso, verifica-se que no

sistema de aproveitamento de ondas SSG a razão MR$/MW é sete (7) vezes maior do que o

verificado em outras energias renováveis, o que o torna não competitivo. Assim, considerando os

resultados obtidos a partir dos dados selecionados, parece que a instalação do sistema SSG na costa

brasileira é bastante questionável.

Palavras-chave: Energia das ondas, SSG (Sea-wave Slot-cone Generator), estruturas costeiras,

estruturas portuárias, galgamento.

1. Introdução

No Brasil, após um período de estagnação do consumo de eletricidade na rede, que em 2017

chegou a nível semelhante ao de 2013 (465 TW/h), no entanto espera-se que o consumo cresça à

taxa de 3,6% anuais até 2032. (787,5 TW/h) [1]. Hoje, o Brasil tem uma matriz elétrica

predominantemente assente em fontes renováveis [2], diferentemente dos países com economias

mais desenvolvidas, destacando-se o contributo em mais de 60% das usinas hídricas. No entanto,

por forma a atender ao esperado aumento de consumo devido a fatores tais como, inclusão

energética e ao aumento de 9,5% da população brasileira, entre 2020 e 2040 [3], a verdade é que

se torna preemente o investimento em outras fontes de origem renováveis, como a solar, eólica e

energia das ondas, por forma a reduzir a dependência da geração hídrica. Com 3,6 milhões de

quilômetros quadrados, o Brasil possui a segunda maior Zona Económica Exclusiva, ZEE (espaço

marítimo que um país detém, no qual tem direitos de utilização dos seus recursos, tanto vivos como

não vivos) da América do Sul e a 11ª maior do mundo, o que se pode revelar determinante na

questão das energias renováveis no Brasil [4].

O oceano é um recurso inesgotável e existem diferentes alternativas em termos de fontes e

tecnologias que podem ser utilizadas no aproveitamento de todo o seu potencial energético.

Existem iniciativas bem-sucedidas na captação de energia a partir de gradientes de temperatura [5],

marés [6], tanto na forma de energia potencial [7] quanto energia cinética [8] [9]. Correntes [10],

2

gradientes de salinidade [11] e ondas [12] [13]. Dentro das possibilidades acima citadas, a extração

de energia das ondas pode ser considerada uma das alternativas mais eficientes, devido à energia

total disponível dessa forma e ao fato de ser mais previsível do que algumas outras fontes

renováveis, como a eólica e a solar [14]. No entanto, o uso desta fonte de energia depende,

inicialmente, de uma avaliação da energia potencial e das características das ondas da região [15]

[16]. Esse conhecimento prévio é necessário para a escolha do conversor de energia das ondas que

opera com eficiência ideal considerando frequência e amplitude específica [17] [18], e pelo fato

que as atuais soluções apresentam limitações na extração de energia em locais com potencial abaixo

de 10 kW/m [19].

Existem estudos avaliando o recurso global de energia das ondas [20] [21]. De fato, apesar das

ondas mais poderosas estarem concentradas na costa oeste dos continentes de alta latitude,

influenciadas pelos ventos oeste-leste [22], não apenas o potencial de uma região é importante, mas

a variabilidade temporal tem um impacto na eficiência e na viabilidade de um projeto de energia

das ondas. Em geral, áreas com fluxos de energia moderados e constantes são mais vantajosas do

que áreas mais energéticas com maior variação. As regiões entre 25 ° S e 25 ° N apresentam menor

variabilidade e fluxo médio de energia razoável, e logo maior potencial de exploração. Entre esse

intervalo, o local ideal para geração de energia geralmente está em profundidades entre 40 e 100

m, uma vez que as ondas se propagam para a costa, elas são modificadas por efeitos de fundo como

refração, difração, atrito do fundo e quebra de ondas, resultando na dissipação de sua energia em

áreas rasas, geralmente menores que 40 m [12]. Em relação a águas com profundidade superior a

100 m, se verifica uma limitação relevante que está relacionada com a viabilidade econômica de

implantar uma usina de ondas e conectá-la a uma estação de linha costeira, devido à longa distância

da costa [14].

A costa sul-sudeste (S-SE) do Brasil possui um potencial energético maior do que a costa

nordeste (NE) [23] [24]. A região costeira de Pernambuco tem um fluxo médio de energia entre 10

e 28 kW/m e a média da altura significativa de onda é de 1,54 ± 0,38 m enquanto que a região

costeira do Rio Grande do Sul tem um fluxo médio de energia entre 18 e 35 kW/m e a altura

significativa de onde é de 2,10 ± 0,76 m. De São Paulo ao Rio Grande do Sul, o potencial energético

é muito semelhante, tanto em termos de fluxos de energia quanto nos estados do mar associados.

A influência dos sistemas de frente fria na região S-SE traz ondas com períodos mais longos e

faixas maiores que as observadas na costa NE, influenciadas pelos ventos impulsionados pela Alta

Subtropical do Atlântico Sul. Além disso, a variação na região S-SE é maior do que a observada

na região NE. Portanto, considerando os dois parâmetros, embora a região NE tenha um potencial

energético menor, isso pode ser compensado por um estado do mar mais estável e constante, o que

também é importante para os conversores de energia.

O aproveitamento de energia incorporado em estruturas costeiras ou portuárias pode ser feito

através de três tecnologias distintas, como mostrada na figura 1. O método da coluna de água

oscilante (OWC – oscillating water column) consiste numa estrutura de aço ou concreto

parcialmente submersa, aberta abaixo da superfície livre da água criando uma espécie de câmara.

Esta contém ar aprisionado no interior, que é forçado a fluir por uma turbina que movimenta um

gerador elétrico, quando a superfície livre de água oscila devido à ação das ondas incidentes.

O segundo método é baseado na captação da água que se espraia na estrutura em reservatórios,

onde é armazenada a uma cota superior à do nível médio da superfície da água envolvente. O

acréscimo de energia potencial obtido através do espraiamento/galgamento (overtopping) é

transformado em energia elétrica através de turbinas hidráulicas de baixa queda [25]. A tecnologia

SSG desenvolvida pela empresa WAVEenergy (Stavanger, Noruega) é a tecnologia mais

promissora quando nos referimos ao aproveitamento da energia das ondas presente nos eventos de

galgamento. Trata-se de uma estrutura em concreto composta por vários reservatórios sobrepostos,

a ser instalado em infraestruturas costeiras ou quebra-mar que funciona por galgamento, o que

significa que a estrutura deve ser galgada pelas ondas incidentes para que, durante estes

acontecimentos, a água seja capturada a um nível superior ao da superfície do mar. Para evitar que

a pressão do ar dentro dos reservatórios obstrua a entrada de água, devem ser incluídas várias

aberturas de ventilação. A água que é armazenada nos reservatórios, antes de ser devolvida ao mar,

passa por turbinas gerando assim energia mecânica. É usado um conjunto de turbinas Kaplan

3

reguladas por comportas, que são as únicas partes móveis de toda a estrutura (aspecto importante

por funcionar em um ambiente marinho, onde as cargas durante eventos extremos podem ser 100

vezes superiores à situação operacional normal.

Figura 1 - Caracterização de alguns sistemas para aproveitamento de energia das ondas [26].

Analisando a Tabela 1, conclui-se que as maiores perdas ocorrem no funcionamento hidráulico

da estrutura (30-40%) e na recolha de água dos reservatórios (35-80%). O funcionamento

hidráulico afeta a conversão da energia da agitação incidente em energia potencial. Por sua vez, a

dimensão limitada dos reservatórios e a perda de altura variável ocorrida na entrada da água para

os reservatórios levam a algum desperdício da energia potencial.

Tabela 1- Eficiência parciais estimadas para o dispositivo SSG [27]

Definição Fórmula Eficiência típica (%)

Eficiência Hidráulica ƞℎ𝑦𝑑 =𝑃𝑐𝑟𝑒𝑠𝑡𝑃𝑤𝑎𝑣𝑒

30-40

Eficiência do Reservatório ƞ𝑟𝑒𝑠 =𝑃𝑟𝑒𝑠

𝑃𝑐𝑟𝑒𝑠𝑡 35 - 80

Eficiência das Turbinas ƞ𝑡𝑢𝑟 =𝑃𝑡𝑢𝑟𝑃𝑟𝑒𝑠

80 - 90

Eficiência do Gerador ƞ𝑔𝑒𝑛 =𝑃𝑔𝑒𝑛

𝑃𝑡𝑢𝑟 95 - 97

Eficiência Global ƞ𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 =𝑃𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡

𝑃𝑔𝑒𝑛 10 - 26

O terceiro método possibilita a inclusão em estruturas portuárias dispositivos que aproveitam a

energia das ondas através do movimento de vários corpos flutuantes (multibody). O corpo flutuante

encontra-se ligado a um braço que transmite o movimento provocado pelas ondas a uma bomba

hidráulica que, por sua vez, força a entrada de água numa câmara sob pressão. Quando a água se

encontra a uma dada pressão, é libertada formando um jato de água que faz girar uma turbina aliada

a um gerador elétrico,

4

Porém, a viabilidade deste tipo de soluções é altamente dependente das especificidades do local

de implementação. Por forma a analisar tecnicamente/qualitativamente as três tecnologias,

OWC/U-OWC (método da coluna de água oscilante em formato de U), overtopping e multibody,

segue-se uma caracterização de cada uma, com vantagens e respectivas desvantagens no

aproveitamento de energia das ondas em estruturas costeiras

Tabela 2 - Caracterização qualitativa de cada uma das tecnologias

Assim, este trabalho busca avaliar o potencial de implantação de um sistema SSG considerando:

(1) grande parte da costa brasileira está localizada entre 25 °S e 25 °N, onde a variabilidade das

ondas é pequena e, portanto, favorável à implementação de conversores de energia das ondas; (2)

os maiores pontos de consumo de eletricidade se encontram na costa e (3) a existência de grande

quantidade de estruturas costeiras e quebra-mares portuários. Neste estudo, três dos parâmetros que

desempenham um papel na eficiência do quebra-mar SSG, nomeadamente profundidade mínima

de instalação em relação ao nível do mar, altura significativa de onda e período da onda foram

analisados. Contudo é importante referir que existem outros fatores que afetam a eficiência da

tecnologia SSG, tais como, geometria exterior, maré, inclinação da rampa etc.

OWC / U-OWC Galgamento (Overtopping) Multibody

Pontos Fortes

Pode ser construido por módulos

Output energético relativamente

constante

Construção relativamente barata

Recolhe a energia que solicitaria o

quebramar

Pode ser construido por módulos

Permite a renovação da água na

zona limitada (reduz poluição)

Menor impacto visual (menor cota

de coroamento)

Pressões provocadas pela ação do

mar na face inclinada favorecem a

estabilidade global da estrutura

Questões de projeto arquitetônico

e técnicas estimuladoras de

inovação/desenvolvimento

Manutenção relativamente fácil

Oferece uma grande capacidade

de armazenagem de energia

É construído por módulos

Versatilidade de adição ou

remoção de módulos

Pontos Fracos

Na presença de condições

marítimas severas, podem ocorrer

estragos na turbina por inundação

Dificuldade associada às obras de

construção civil

Redução na amplitude do

movimento da coluna de água para

períodos de onda afastados do de

dimensionamento

Grandes amplitudes de maré

alteram a frequência de

funcionamento e eficiência

Poluição sonora

Sensível à direção variável da

agitação marítima

Grandes amplitudes de maré

prejudicam o nível de galgamento

Sedimentação no interior dos

reservatórios

Gestão complexa do

funcionamento das comportas que

controlam o caudal turbinado

Apenas foram constridos protótios

de pequena dimensão

Impacto visual

Afeta a navegabilidade na zona

Perante agitação extrema precisa

de parar o funcionamento e ser

protegido

5

2. Parâmetros chaves

Para o cálculo da eficiência hidráulica do SSG, utiliza-se a seguinte formula:

ƞℎ𝑦𝑑 =𝑃𝑐𝑟𝑒𝑠𝑡𝑃𝑤𝑎𝑣𝑒

(1)

Onde 𝑃𝑊𝑎𝑣𝑒 é potência média das ondas por unidade de largura, 𝑃𝑐𝑟𝑒𝑠𝑡 é a potência à entrada

dos reservatórios por unidade de largura e ƞℎ𝑦𝑑 é a eficiência hidráulica [28]. A eficiência

hidráulica é um parâmetro sem dimensão e de acordo com a literatura o seu valor mínimo aceitável

é entre 30 a 40% [27]

A potência média das ondas por unidade de largura 𝑃𝑊𝑎𝑣𝑒 pode ser calculada de acordo com a seguinte fórmula [16]

𝑃𝑤𝑎𝑣𝑒 =1

8𝜌𝑔𝐻𝑟𝑚𝑠,0

2 [𝐶𝑔0]1

𝑇 𝑛𝑛 (2)

Onde 𝐻𝑟𝑚𝑠,0 2 representa o quadrado da altura média da onda, [𝐶𝑔0]

1

𝑇 é a velocidade média da

onda, calculada usando um periodo médio T, g é a aceleração da gravidade (= 9,81 m/s2) e a

densidade da água do mar (ρ= 1025 kg/m3) [28].

Figura 2 - Secção lateral de um dispositivo SSG com três níveis [25].

A velocidade média da onda é calculada usando um período médio T de acordo com a equação:

[𝐶𝑔0]1

𝑇 = 𝑇𝑒=

𝑔𝑇𝑒4𝜋

(3)

Onde 𝑇𝑒 é o período de energia da onda por unidade de tempo [18],que, pode ser calculado de

acordo com a seguinte fórmula:

𝑇𝑒 =𝑇𝑝

1.15 (4)

Onde 𝑇𝑝 é o período da onda com maior altura significativa [28]

Além disso, a altura significativa da onda 𝐻𝑠 pode ser utilizada em vez de 𝐻𝑟𝑚𝑠,0, usando a seguinte equação [30]:

𝐻𝑠 = √2 𝐻𝑟𝑚𝑠,0 (5)

Assim, a equação (2) pode ser simplificada da seguinte maneira:

6

𝑃𝑤𝑎𝑣𝑒 =𝜌𝑔2 𝐻𝑠,0

2 𝑇𝑒

64𝜋 (6)

Por outro lado, a potência à entrada dos reservatórios por unidade de largura 𝑃𝑐𝑟𝑒𝑠𝑡 pode ser calculada da seguinte forma:

𝑃𝑐𝑟𝑒𝑠𝑡 = ∑ 𝜌𝑔𝑞𝑜𝑣,𝑗𝑅𝑐,𝑗

𝑁𝑟𝑒𝑠

𝑗=1

(7)

Onde 𝑞𝑜𝑣,𝑗 é o volume médio de água recebida por largura do reservatório j, 𝑅𝑐,𝑗 é o nível de

entrada no reservatório j, e 𝑁r𝑒𝑠 é o número total de reservatórios. Para calcular o volume médio de água recebida por largura do reservatório 𝑞𝑜𝑣, utiliza-se a

seguinte equação:

𝑞𝑜𝑣,𝑗 = ∫𝑑𝑞

𝑑𝑧

𝑅𝑐,𝑗+1

𝑅𝑐,𝑗

𝑑𝑧 = (𝛱𝑗𝜆𝑗) × √𝑔𝐻𝑠3 ×

𝐴

𝐵× 𝑒𝐶

𝑅𝑐,1𝐻𝑚0,𝑡

× [𝑒𝐵

𝑅𝑐,𝑗+1𝐻𝑚0,𝑡

− 𝑒𝐵

𝑅𝑐,𝑗𝐻𝑚0,𝑡

] (8)

Onde 𝐻𝑚0,𝑡 é a estimativa espectral da altura significativa da onda no limite inferior da estrutura ou quebra-mar em metros e 𝑚0 é o momento de ordem zero do espectro de energia das ondas.

Tendo por base a literatura, pode-se usar a seguinte equação [31]:

𝐻𝑠 = 𝐻𝑚0 = 4√𝑚0 (9)

A diferença geométrica entre um novo desenho e o padrão pode ser expressa como o coeficiente

de correção (𝜆𝑗). Os parâmetros A, B e C na equação (8) são coeficientes experimentais para um

projeto padrão. Tendo por base pesquisas anteriores, esses coeficientes empíricos podem ser

considerados da seguinte forma [16]

A= 0,197

B= -1,753 (10)

C=-0,408

De acordo com testes experimentais, os melhores 𝑅𝑐,𝑗 para a altura da crista do reservatório a

partir do nível da água do mar obtido foram 𝑅𝑐, 1 = 1,5 m, 𝑅𝑐, 2 = 2,5 m e 𝑅𝑐, 3 = 4,3 m [30]. Importante também mencionar que 𝜆𝑗 é uma combinação de três coeficientes diferentes,

incluindo coeficiente de descarga (𝜆𝑑𝑟), coeficiente de área (𝜆𝛼𝑟) e coeficiente de crista (𝜆𝑠). Eles podem ser calculados usando as equações (11), (14) e (15), respectivamente.

𝜆𝑑𝑟 = 1 − 𝑘

𝑠𝑖𝑛ℎ (2𝐾𝑝ℎ × (1 −𝑑𝑟ℎ

)) + (2𝐾𝑝ℎ) × (1 −𝑑𝑟ℎ

)

𝑠𝑖𝑛ℎ(2𝐾𝑝ℎ) + (2𝐾𝑝ℎ) (11)

Na equação acima mencionada, 𝑘 é um coeficiente de controle para a onda recebida na área submersa do quebra-mar (geralmente é considerado igual a 0,4). Na equação (11), 𝑑𝑟 é a distância entre o nível médio do mar e a borda inferior da rampa do quebra-mar mais baixo, e 𝐾𝑝 é o número máximo de ondas da onda com o comprimento de onda máximo (𝐿𝑝) e é dado por [16]:

7

𝐾𝑝 =2𝜋

𝐿𝑝 (12)

Onde 𝐿𝑝 pode ser calculado da seguinte maneira:

𝐿𝑝 =𝑔𝑇𝑝

2

2𝜋 (13)

Como mencionado, o coeficiente de área 𝜆𝛼𝑟 pode ser derivado usando a equação (14):

𝜆𝛼𝑟 = 𝑐𝑜𝑠3(𝛼𝑟 − 30) (14)

Onde 𝛼𝑟 é o ângulo da rampa sob o nível médio do mar e seu valor ótimo foi considerado 30º [16]. Esse valor simplifica a equação (14) como 𝜆𝛼𝑟 = 1

O coeficiente de crista 𝜆𝑆 pode ser obtido usando a seguinte equação:

𝜆𝑆 = {0,4𝑠𝑖𝑛 (

2𝜋

3) + 0.6 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑅 < 0,75

1 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑅 ≥ 0,75} (15)

em que 𝑅 =𝑅𝑐

𝐻𝑠.

Toda a massa de água que entra no SSG pode ser calculada a partir da fórmula experimental

abaixo [28]:

𝑄 =𝑞

𝜆∝𝑟𝜆𝑑𝑟𝜆𝑠√𝑔𝐻𝑠3

= 0.2 × 𝑒−2.6

𝑅𝑐𝐻𝑠𝜆𝑟𝜆𝑏𝜆ℎ𝜆𝛽

(16)

Tendo por base a literatura que assume 𝜆𝑟 = 𝜆𝑏 = 𝜆ℎ = 𝜆𝛽 = 1 [18], obtém-se:

𝑄 =𝑞

𝜆∝𝑟𝜆𝑑𝑟𝜆𝑠√𝑔𝐻𝑠3

= 0.2 × 𝑒−2.6

𝑅𝑐𝐻𝑠 (17)

Em adição ao acima exposto, é importante referir também qual o intervalo de profundidade de

água ideal para a instalação de um sistema SSG, e um dos pontos que deve ser tido em consideração

pelo fato de reduzir a eficiência é a sedimentação. Assim, por forma a evitar o efeito da

sedimentação, sugere-se uma profundidade de água de pelo menos 15 m [25].

3. Análise paramétrica

Com o propósito de estabelecer equações fiáveis que descrevessem como a variação de maré e

os parâmetros da geometria exterior afetam 𝑞𝑜𝑣,𝑗, foram realizados trabalhos experimentais entre

2004 e 2007 no Laboratório de Hidráulica e Engenharia Costeira da Universidade de Aalborg,

Dinamarca. Os testes foram executados com ondas irregulares, em condições bi e tridimensionais,

com escalas a variar de 1:15 até 1:60 (Figura 1). No caso dos testes bidimensionais, foram testadas

30 geometrias distintas o que permitiu investigar a influência das seguintes variáveis: altura

8

significativa de onda, 𝐻𝑚0,𝑡; níveis de entrada nos reservatórios, 𝑅𝑐𝑗; ângulo da rampa, 𝛼𝑟 ; altura

da rampa, 𝑑𝑟 ; ângulo das frentes, 𝜃𝑗 ; distância horizontal entre cristas de reservatórios, 𝐻𝐷𝑗

Figura 3 – Esquema de projeto de uma estrutura com 3 níveis de reservatórios, [25]

Por meio dos ensaios realizados com ondas bidimensionais, foi possível obter os resultados que

se seguem. A altura significativa de onda junto da estrutura, 𝐻𝑚0,𝑡, como seria de esperar, é dos

fatores que mais influência o caudal de galgamento médio, 𝑞𝑜𝑣,𝑗, em cada reservatório. Na Figura

4, é possível observar que o aumento da variável 𝐻𝑚0,𝑡 conduz ao aumento de 𝑞𝑜𝑣,𝑗. Contudo, as linhas de tendência de cada reservatório apresentam diferentes configurações. Para o reservatório

mais baixo, Res.1, a curva é convexa, enquanto para o reservatório mais alto, Res.3, a vazão

aumenta, em média, mais rapidamente com a altura de onda, seguindo uma tendência não linear.

A presença das frentes dos reservatórios limita o volume de água que os reservatórios inferiores

são capazes de armazenar, visto que obstruem de certa forma a entrada de água.

Abaixo estão representados os resultados dos testes realizados apenas para a condição de mar

com 𝐻𝑠 = 3,5 m e 𝑇𝑒 =11,66 s com um modelo à escala 1:15.

Figura 4 – Vazão de galgamento em função da altura significativa de onda [25]

No que repeita à geometria do dispositivo, o nível da entrada dos reservatórios, 𝑅𝑐𝑗, é a variável

que tem mais relevância na alteração do volume armazenado em cada reservatório. A vazão de

galgamento médio reduz-se mais do que linearmente quando o nível da entrada dos reservatórios

aumenta. Este comportamento é mostrado na Figura 5, que se refere a duas estruturas que diferem

unicamente no nível da crista do reservatório inferior (𝑅𝑐1 = 2,25 m em “D” e 𝑅𝑐1 = 1,5 m em “E”)

9

[19]. Contudo, ao reduzir o nível da entrada dos reservatórios, obrigatoriamente, se reduz também

a altura de queda da água armazenada, apesar de aumentar a quantidade de água recolhida porque

se as entradas dos reservatórios se encontram a uma cota inferior, maior é o número de ondas que

alcança a mesma cota. Assim, o efeito da variável em causa na eficiência hidráulica (eficiência e

produção de energia) deriva de um equilíbrio entre o vazão armazenada e altura de queda respetiva

[25].

Figura 5 – Efeito do nível da crista do reservatório no galgamento [25]

Em relação à variável dr, correspondente à profundidade abaixo do nível médio da água do mar

da rampa de aproximação à estrutura, sabe-se que quanto maior esta for, maior será a razão de

galgamento (𝑞𝑜𝑣,𝑗

𝑔𝐻𝑚0,𝑡 = 0,5). Na Figura 6, é ilustrada a influência desta variável através da

comparação de valores da razão de galgamento de estruturas idênticas, mas com diferentes valores

de dr. O aumento do razão de galgamento para um aumento da profundidade da rampa é explicado

pelo fato do “degrau” vertical refletir parte da onda incidente, evitando que esta se envolva no

processo de galgamento. A linha a tracejada na Figura 4 representa a variação da eficiência

hidráulica (𝜂𝐻𝑦𝑑). No caso experimental em causa foi possível obter um aumento progressivo da

eficiência hidráulica de 5% desde 𝑑𝑟

ℎ = 0,375 até

𝑑𝑟

ℎ =1,0 [25]. Quanto à influência do ângulo da

rampa de aproximação, 𝛼𝑟, são apresentados na Figura 5 resultados da eficiência hidráulica (𝜂𝐻𝑦𝑑)

para vários estados de mar, expressos em 𝐻𝑚0,𝑡

ℎ. São comparadas três curvas que representam

estruturas que diferem unicamente no ângulo αr para conseguir avaliar esta componente em

particular. Analisando as três curvas do gráfico é possível identificar que em todas elas a eficiência

hidráulica sofre um decréscimo para 𝐻𝑠

ℎ = 0,56 devido à ocorrência de rebentação na aproximação

ao dispositivo. Analisando o desenvolvimento das curvas, é possível concluir que o ângulo de 19º

apresenta melhores resultados de eficiência e que não existe grande diferença entre a inclinação de

30º e 35º [25]. Contudo, uma inclinação de 19º pode levar a que algumas das ondas arrebentem em

forma de ondas mergulhantes. A deformação é tal que se verifica o desenvolvimento de uma bolsa

de ar (tubo) até que ocorre uma espécie de colapso. O impacto do volume de água gerado por este

colapso gera uma turbulência que acaba por reduzir o potencial energético da onda o que é

prejudicial ao espraiamento.

10

Figura 6 – Efeito da profundidade da rampa na razão de galgamento e na eficiência hidráulica [25]

Figura 7 - Efeito do ângulo da rampa de aproximação na eficiência hidráulica (ηHyd) [25]

Por último foi também avaliada a influência da variável 𝐻𝐷𝑗 no desempenho do dispositivo. Esta variável influencia a quantidade de água armazenada nos reservatórios por galgamento. No

reservatório inferior, o volume de água armazenado aumenta quando a distância horizontal (𝐻𝐷𝑗) aumenta, enquanto no reservatório superior a quantidade de água diminui quando 𝐻𝐷𝑗 aumenta. Para valores de 𝐻𝐷1 muito elevados, a estrutura passa a se comportar como uma estrutura de um reservatório só [25] visto que a água incidente é toda recolhida no primeiro reservatório.

Passando à análise do efeito da direção da agitação marítima, sabe-se que a incidência de ondas

oblíquas pode reduzir significativamente o volume de água de galgamento em uma estrutura

costeira, mas, o impacto do fenómeno de espraiamento e galgamento das short-crested seas, ou

seja de ondas irregulares com crista curta, não é bem claro. Ambas características foram estudadas

por meio de ensaios tridimensionais considerando o projeto-piloto que seria instalado na ilha de

Kvitsøy, Noruega. Foi reproduzida a estrutura em uma escala de 1:60 e submetida a ensaios de

ondas irregulares frontais com cristas longas, frontais com cristas curtas e oblíquas com cristas

longas (obliquidade entre -15º e +15º em relação à direção frontal). Analisados os dados, foi

possível concluir que ambas as variáveis limitam volume de galgamento. Esta limitação é

relativamente pequena para os dois reservatórios inferiores (cerca de 10%) mas bastante relevante

para o superior (cerca de 35%). A redução do caudal médio de galgamento reduz a eficiência

hidráulica (𝜂𝐻𝑦𝑑) do dispositivo e dado que a maior redução ocorre no reservatório mais alto, que

possui a maior carga hidráulica, o decréscimo na eficiência pode ser maior do que o do caudal de

11

galgamento. Foi estimado que a incidência oblíqua e a ocorrência de estados de mar com cristas

curtas, em conjunto, possam diminuir até 50% a eficiência hidráulica [25].

4. Aplicação no Brasil

O primeiro critério utilizado foi identificar e selecionar um ou mais portos com profundidade

superior a 15 m. Após análise da profundidade dos portos implantados ao longo da costa brasileira,

seleciona-se os portos de Itaguaí (RJ), Paranaguá (PR) e Rio Grande (RS). O segundo critério a ser

considerado é a eficiência hidráulica dos portos selecionados. Os dados de altura significativa de

onda (Hs) e o período de onda com altura máxima (Tp) foram extraídos do Programa Nacional de

Bóias (PNBOIA) Entre o Rio de Janeiro e Rio Grande do Sul a média das condições de mar

apresentam comportamentos diferentes com periodos de onda entre 8 e 11 s. No Rio de Janeiro, o

estado maritimo mais comum apresenta uma altura significativa de onda 𝐻𝑠 =1,27 m para um período de 8 s; em Santa Catarina, o fluxo máximo de energia para ondas com período de 8 s se

verifica para ondas com 𝐻𝑠 = 1,5 m e para ondas com período de 11 s se verifica para 𝐻𝑠 = 2 m; no Rio Grande do Sul. o fluxo máximo de enrgia em ambos os periodos se verifica para ondas com

𝐻𝑠 = 2 m.

Usando a equação (1), podemos calcular a percentagem de eficiência hidráulica. Com a

colocação de 𝐻𝑠 e seu 𝑇𝑝 correspondente nas equações acima mencionadas, relativamente às áreas em estudo, se conclui que nos três portos selecionados a eficiência hidráulica nunca excede os 25%

o que é manifestamente inferior ao mínimo aceitável definido na literatura (entre 30 a 40%).

Em adição ao acima exposto, carece ainda uma análise econômica das diferentes soluções e

tecnologias possíveis para a integração de um sistema de aproveitamento da energia das ondas

numa infraestrutura costeira ou portuária. Com base nos sistemas referidos na introdução,

apresenta-se uma tabela com um resumo das características (investimento, produção anual e

capacidade instalada) dos diferentes casos. Não é apresentada uma comparação extensiva porque

os projetos apresentam distintos estados de maturidade. Por exemplo, a central do Pico trata-se de

uma infraestrutura construída quase exclusivamente para pesquisa e desenvolvimento. No caso da

central de Mutriku verifica-se precisamente o contrário, uma infraestrutura destinada à exploração

comercial. O valor do investimento, no caso de dispositivos inseridos em quebramares ou outras

estruturas de defesa costeira, corresponde ao acréscimo de investimento quando comparado com

uma solução tradicional de exclusiva proteção costeira.

Tabela 3 - Resumo da análise qualitativa entre as soluções apresentadas

Instalações ou

projetos Investimento

MR$ (valores

atualizados)

Produção

Anual (MWh)

Capacidade

Instalada (kW)

Produção anual

/ Investimento

(MWh/MR$)

Mutriku (Espanha) * 35,8 200 (2011) 296 5,6

Pico (Portugal) * 36.8 130 400 3,5

REWEC3 –

Civitavecchia (Italia)

** 420 4500 2300 10,7

SSG Hanstholm

(Dinamarca) ** 370 (incluindo

quebramar) 12 000

6,12 kW/m x

1500 m = 9180 32,4

Limpet (Noruega) * 38 128 500 3,36

Wavestar Hanstholm

(Dinamarca)* 17 35 110 2,1

*Baseado em resultados operacionais; **Baseado em estimativas operacionais

12

Considerando não ser confiável uma comparação direta, alguns indicadores podem ser extraídos

da Tabela 3. Existe uma tendência indicando que o uso de dispositivos de extração da energia das

ondas integrados em estruturas costeiras pode representar uma melhor solução econômica.

Analisando os valores de MWh/MR$ na Tabela 3, ainda que alguns deles sejam baseados em

estimativas, é possível concluir que quando o dispositivo de aproveitamento da energia das ondas

é inserido em uma estrutura costeira, a relação aumenta no mínimo 10 unidades. É esperado que

um valor da mesma ordem de grandeza, ou ainda maior, fosse apresentado para o caso do

REWEC3, visto que o valor estimado da produção anual é bastante similar ao caso do SSG em

Hanstholm (no REWEC3, a produção varia entre 3000 e 4500 MWh para 500 m de estrutura que

é sensivelmente um terço da produção e comprimento dos valores apresentados para o SSG

Hanstholm) e o investimento adicional preciso foi menor do que 50% da estrutura original sem o

dispositivo. Novamente, o fato de se estar a misturar valores estimados e valores reais medidos

deve estar sempre subjacente a esta análise. Como exemplo, o valor estimado para a produção anual

da planta de Mutriku era de 600 MWh que resultaria em um valor de 17 MWh/MR, três vezes

maior do que os resultados obtidos durante o primeiro ano de funcionamento. Os resultados

apresentados são afetados significativamente por outras variáveis, como o recurso, por exemplo

Ainda no âmbito económico ao se comparar o custo por MW produzido em sistemas de energia

eólica (5,59 MR$/MW), solar (4,20 MR$/MW) e térmica por biomassa (2,34 MR$/MW) que

resultaram do leilão de energia A-4 de 2019, verifica-se que ainda existe um longo caminho a ser

percorrido para que os sistemas de aproveitamento de ondas, como o SSG (2,9 – 32,4 MR$/MW),

possa ser competitivo com outras fontes de energia renovável.

4. Conclusões

Tem havido um interesse crescente no uso de energias renováveis, especificamente energia das

ondas. A possibilidade de combinar um conversor de energia das ondas com outras estruturas

marinhas, como o quebra-mar, o torna ainda mais interessante e acessível. O sistema SSG é uma

construção integrada, que opera como quebra-mar e gerador de energia das ondas, o que significa

que a estrutura absorve a energia das ondas recebidas e as converte em energia elétrica. Essa

capacidade do sistema o pode tornar financeiramente adequado para a área onde simultaneamente

é necessário construir quebra-mar e produzir energia.

Nesta pesquisa, foi investigada a viabilidade para a instalação do conversor de energia, tipo

SSG, na costa brasileira. Enquanto o primeiro critério, considerava a profundidade mínima de 15

m para evitar sedimentação indesejável, daí resultando a seleção dos portos de Itaguaí (RJ),

Paranaguá (PR) e Rio Grande (RS), o segundo critério escolhido foi a eficiência hidráulica das

áreas selecionadas. Tendo por base os dados recolhidos no PNBOIA, a eficiência hidráulica

verificada nas três regiões foi inferior ao valor mínimo aceitável definido em literatura. Da análise

econômica realizada, resulta também que o custo por MW produzido por este sistema é cerca de

3800% maior do que o verificado em sistemas de produção de energia eólica e solar. Outro aspeto

relevante a ser considerado se prende com o fato de que até ao momento nenhuma empresa

brasileira mostrou interesse em nacionalizar esta tecnologia o que implica falta de know-how

nacional relativamente a este sistema. Em resumo, se poderá dizer que em virtude dos resultados

obtidos nesta análise, não aparece que a instalação de um sistema SSG na costa brasileira possa ser

viável atualmente.

Não obstante o acima exposto, diferentes estudos podem ser realizados como trabalhos futuros:

Construção de modelo físico do SSG de acordo com o critério de semelhança de Froude, tendo em conta as dimensões do tanque de ondas onde poderá ser feito o ensaio e respeitando a

capacidade do sistema de geração de agitação marítima presente nas mesmas instalações;

Avaliação dos parâmetros que afetam a eficiência do sistema e que não foram considerados neste trabalho

Avaliação do comportamento dos concentradores para diferentes níveis de maré e para as direções de incidência que ocorram na zona de estudo;

13

Desenvolvimento de um programa de modelagem numérica que simule o funcionamento do dispositivo com os respetivos concentradores;

Avaliação da questão estrutural, principalmente dos concentradores;

Estudo mais aprofundado da viabilidade econômica das diferentes componentes.

Referências bibliográficas

[1] EPE - Empresa de Pesquisa Energética. 2020. Caderno de Demanda de Eletricidade - Abril

2018. Accessível em: https://www.epe.gov.br/

[2] ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. 2020. Site institucional. Accessível em:

https://www.aneel.gov.br/

[3] CBIE - Centro Brasileiro de Infraestrutura. 2020. Site institucional. Accessível em:

https://www.cbie.com.br/

[4] IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. 2020. Site institucional. Accessível em:

https://www.ibge.gov.br/

[5] TANNER, D. 1995. Ocean thermal energy conversion: Current overview and future outlook.

Renewable Energy, 6 (3): 367-373.

[6] ROURKE, F. O., BOYLE, F. & REYNOLDS, A. 2010. Tidal energy update 2009. Applied

Energy, 87 (2): 398-409.

[7] FRAU, J. P. 1993. Tidal energy: promising projects: La Rance, a successful industrial-scale

experiment. IEEE Transactions on Energy Conversion, 8, 552-558.

[8] KHAN, M. J., BHUYAN, G., IQBAL, M. T. & QUAICOE, J. E. 2009. Hydrokinetic energy

conversion systems and assessment of horizontal and vertical axis turbines for river and tidal

applications: A technology status review. Applied Energy, 86, 1823-1835.

[9] ROBERTS, A., THOMAS, B., SEWELL, P., KHAN, Z., BALMAIN, S. & GILLMAN, J. 2016.

Current tidal power technologies and their suitability for applications in coastal and marine areas.

Journal of Ocean Engineering and Marine Energy, 2, 227-245.

[10] PONTA, F. L. & JACOVKIS, P. M. 2008. Marine-current power generation by diffuser-

augmented floating hydro-turbines. Renewable Energy, 33, 665-673.

[11] RAMON, G. Z., FEINBERG, B. J. & HOEK, E. M. V. 2011. Membrane-based production of

salinity-gradient power. Energy & Environmental Science, 4, 4423-4434.

[12] FALCÃO, A. F. O. 2010. Wave energy utilization: A review of the technologies. Renewable

and Sustainable Energy Reviews, 14, 899-918.

[13] MUETZE, A. & VINING, J. G. 2006. Ocean Wave Energy Conversion - A Survey. In: 41st

IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications, 8 a 12 de

outubro 2006, Tampa, Estados Unidos.

[14] SCRUGGS, J. & JACOB, P. 2009. ENGINEERING: Harvesting Ocean Wave Energy.

Science, 323, 1176-1178.

[15] IGLESIAS, G. & CARBALLO, R. 2010. Offshore and inshore wave energy assessment:

Asturias (N Spain). Energy, 35, 1964-1972.

[16] GUNN, K. & STOCK-WILLIAMS, C. 2012. Quantifying the global wave power resource.

Renewable Energy, 44, 296- 304.

[17] FALNES, J. 2002. Optimum Control of Oscillation of Wave-Energy Converters. International

Society of Offshore and Polar Engineers. In: 11th International Offshore and Polar Engineering

Conference. 17 a 22 de junho 2001, Stavanger, Noruega.

[18] CARGO, C. J., PLUMMER, A. R., HILLIS, A. J. & SCHLOTTER, M. 2011. Determination

of optimal parameters for a hydraulic power take-off unit of a wave energy converter in regular

waves. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and

Energy, 226, 98-111.

https://www.epe.gov.br/https://www.aneel.gov.br/https://www.cbie.com.br/https://www.ibge.gov.br/

14

[19] HUGHES, M. G. & HEAP, A. D. 2010. National-scale wave energy resource assessment for

Australia. Renewable Energy, 35, 1783-1791.

[20] BARSTOW, S., S., MØRK, G., LØNSETH, L. & MATHISEN, J. 2009. Worldwaves wave energy resource assessments from the deep ocean to the coast. In: Proceedings of the 8th European

Wave and Tidal Energy Conference. 7 a 10 de setembro 2009, Uppsala, Suécia, 149-159.

[21] CORNETT, A. M. 2008. A Global Wave Energy Resource Assessment. International Society

of Offshore and Polar Engineers. In: Proceedings of International Offshore and Polar Engineering

Conference (ISOPE-2008). 6 a 11 de julho 2008, Vancouver, Canada.

[22] RUSU, E. & SOARES, C. 2009. Numerical modelling to estimate the spatial distribution of

the wave energy in the Portuguese near shore. Renewable Energy, 34, 1501-1516

[23] RODRIGUES, M. L. G., FRANCO, D. & SUGAHARA, S. 2004. Climatologia de frentes

frias no litoral de Santa Catarina. Revista Brasileira de Geofísica, 22, 135-151

[24] DOMINGUEZ, J. M. L. 2006. The Coastal Zone of Brazil: An Overview. Journal of Coastal

Research, 1, 16-20.

[25] VICINANZA, D., MARGHERITINI, L., KOFOED, J. P. & BUCCINO, M. 2012. The SSG

Wave Energy Converter: Performance, Status and Recent Developments. Energies, 5: 193-226

[26] ROCHA, A. B., TEIXEIRA, R., MORAIS, T. & SARMENTO, A. 2014. Offshore Renewable

Energy Current Status-Future Perspectives for Portugal – Revista Inegi, Março 2014, 49-78

[27] MARGHERITINI, L., VICINANZA, D. & FRIGAARD, P. 2009. SSG wave energy

converter: Design, reliability and hydraulic performance of an innovative overtopping device.

Renewable Energy, 34: 1371–1380

[28] MARGHERITINI, L. 2009. R&D towards commercialization of the Sea Wave Slot Cone

Generators (SSG) overtopping wave energy converter. D.Sc thesis, Department of Civil

Engineering, Aalborg University, 216 páginas. [29] WEC - World Energy Council. World energy resources - 2016. London: WEC, 1028 páginas. Disponível em: https://www.worldenergy.org/assets/images/imported/2016/10/World-Energy-

Resources-Full-report-2016.10.03.pdf

[30] SORENSEN, R. M. 2005. Basic coastal engineering. 3rd edition. New York: Springer Science

& Business Media, 324 páginas. [31] KOFOED, J.P. Model testing of the wave energy converter Seawave Slot-Cone Generator.

Aalborg: Department of Civil Engineering, Aalborg University. Hydraulics and Coastal

Engineering, No. 18, 32 páginas.

https://www.worldenergy.org/assets/images/imported/2016/10/World-Energy-Resources-Full-report-2016.10.03.pdfhttps://www.worldenergy.org/assets/images/imported/2016/10/World-Energy-Resources-Full-report-2016.10.03.pdf