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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;
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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.
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