Usina Maremotriz de Jiangxia - China

A usina maremotriz de Jiangxia, na China, possui cinco turbogeradores do tipo bulbo, sendo três unidades de 700 kW cada, uma de 500 kW e uma de 600 kW, totalizando 3200 kW de potência instalada. Além disso, existe a proposta de instalação de uma turbina do tipo Straflo, com potência de 700 kW. A integração com a rede elétrica é feita a partir de uma linha de transmissão em 35 kV de 20 km de extensão. (CLARK, 2007).

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O método de controle utilizado é baseado na conversão AC-DC-AC, e a conexão à rede elétrica é feita através de controle em malha fechada. A tensão em corrente alternada variável produzida pelos geradores é convertida em corrente contínua através de uma ponte retificadora trifásica. Em seguida, um inversor controlado por DSP faz a conversão novamente para corrente alternada. Antes da conexão à rede elétrica através de um transformador elevador isolador, filtros passivos são usados para remover componentes harmônicas provenientes do inversor. (HONG-DA LIU et al, 2007). Na Figura 5.8 é ilustrado o esquema geral do sistema de integração à rede elétrica.

Para garantir o fornecimento constante de eletricidade, dispositivos de armazenamento de energia também foram agregados ao sistema. A integração destes dispositivos com a rede elétrica também é feita através do inversor de potência. Além disso, o monitoramento da planta é realizado através de transdutores que transmitem à central de controle informações sobre tensão, frequência e corrente, tanto do lado do gerador quanto do lado da rede.

Turbina Gerador AC/DC DC/AC Filtro Transformador Rede Elétrica

Armazenamento

Figura 5.8 – Esquema geral do sistema de integração à rede elétrica da usina maremotriz em Jiangxia, China. (Fonte: HONG-DA LIU et al, 2007).

Para garantir o sincronismo de frequência entre a usina maremotriz e a rede elétrica, o sistema de controle utiliza o circuito phase-locked-loop (PLL). O circuito PLL minimiza a diferença de fases entre o seu sinal de saída e uma referência, ou seja, a frequência do sinal de saída será igual à do sinal de entrada. Na Figura 5.9 é ilustrado o esquema básico de um circuito PLL.

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Figura 5.9 – Esquema básico de um circuito phase-locked-loop (PLL).

Alguns circuitos PLL mais comuns, tais como APLL (analogue PLL), DPLL (digital PLL), e HPLL (hybrid PLL) podem apresentar algumas dificuldades operacionais: saturação de sinais e calibração inicial, por exemplo. Portanto o circuito adotado foi o SPLL (synchronous PLL), que é baseado em DSP (digital signal processor). Além de evitar os problemas operacionais citados, o SPLL possui um alto desempenho operacional. (HONG-DA LIU et al, 2007).

Diversas situações de falta durante a operação da usina, tais como sobre corrente e sobre tensão nos terminais do gerador ou sub e sobre tensão da rede elétrica precisam ser facilmente detectadas, estimadas e identificadas. Além disso, deve-se levar em consideração uma falta conhecida por ilhamento², que deve ser evitada.

Alguns dos efeitos indesejáveis que o ilhamento pode acarretar são os seguintes: (HONG-DA LIU et al, 2007).

 Instabilidade de tensão e frequência na região do ilhamento;

 Eventual acionamento inadequado das proteções do sistema de distribuição;

 Falta de sincronismo no momento de recuperação da rede elétrica;

 Perigo para realização de atividades de manutenção da rede em locais próximos à fonte distribuída.

Os inversores usados para integração de uma fonte distribuída à rede elétrica possuem proteções contra sub ou sobre tensão e também contra sub ou sobre frequência, de modo que, quando uma dessas faltas é detectada, o inversor pára de

2 Ilhamento refere-se à condição em que uma fonte de geração distribuída (DG) continua injetando energia à rede elétrica mesmo quando esta pára de atender à demanda devido a uma falta ou manutenção. Geralmente esta situação não é desejada, pois pode tornar perigosa a realização de alguma atividade de manutenção na rede elétrica.

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fornecer energia à rede. Entretanto, situações de ilhamentos podem acontecer mesmo quando estes critérios de tensão e frequência são satisfeitos. O método usado neste caso consiste em detectar flutuações de potência e distúrbios de tensão na rede elétrica a fim de evitar as situações de ilhamento. (HONG-DA LIU et al, 2007).

Finalmente, a conversão AC-DC-AC para integração à rede elétrica utiliza o DSP F2812 como dispositivo principal de controle, e IGBT como dispositivo de conversão. Diversas medidas de proteção foram adotadas para garantir um alto grau de confiabilidade e disponibilidade do sistema. O controle é feito através do circuito phase-locked-loop, de modo a garantir o sincronismo com a rede elétrica. (HONG-DA LIU et al, 2007).

Além disso, a utilização de um banco de baterias permite garantir o fornecimento de energia à rede até mesmo durante os períodos de indisponibilidade da fonte primária. Deste modo, o sistema tem apresentado uma operação bastante satisfatória desde 2004, além de apresentar-se como bastante significativo para a implementação de outros projetos de aproveitamentos maremotrizes semelhantes.

65 6. Estimativas do Potencial Maremotriz

Conforme mencionado no capítulo 1, existem basicamente dois modos de exploração da energia das marés, isto é, através das correntes de marés ou através de represamentos.

A potência extraível através das correntes de marés pode ser calculada a partir da seguinte equação: (HAMMONS, 1993).

𝑃 = ¹₂𝜌𝐴𝑣³ (6.1) Onde:

P é a potência extraível através das correntes de marés;

ρ é a densidade da água (aproximadamente 1025 kg/m³ para a água do mar);

A é a área da seção perpendicular à direção do fluxo na turbina;

V é a velocidade da corrente de maré.

Uma desvantagem do aproveitamento das correntes de marés está na limitação da energia aproveitável, pois neste caso as marés apresentam uma baixa densidade energética.

A utilização de represamentos para o aproveitamento energético das marés requer custos extras de implementação, entretanto, este aspecto pode ser compensado com um aumento da energia extraível.

A capacidade de armazenamento do reservatório e a amplitude das marés são os principais fatores que definem o potencial energético de um local. Tomando-se como referência a Figura 6.1, este potencial energético é calculado conforme demonstrado a seguir: (CLARK, 2007).

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Figura 6.1 – Principais parâmetros para o cálculo do potencial energético de um local. (Fonte:

CLARK, 2007).

Para um reservatório a uma altura z acima da maré baixa, a energia necessária para enchê-lo será:

𝐸_𝑓 = 𝛾𝑔 ∑^𝑧=𝑅_𝑧=0^𝑧𝑧𝐴_𝑧𝑑𝑧 (6.2) Onde:

Az é a área do espelho d’água do reservatório a uma altura z acima de uma referência;

γ é a densidade da água do mar;

R é a faixa de variação da altura da maré.

Para o caso particular onde Az é constante:

𝐸_𝑓 = 𝐴𝛾𝑔 ∑^𝑧=𝑅_𝑧=0𝑧𝑑𝑧= ^{𝛾𝑔𝐴𝑅2}

2 = 𝛾𝑔^𝑉𝑅

2 (6.3)

Onde:

V é o volume do reservatório.

Portanto, a energia para um ciclo completo de maré será:

𝐸 = 𝛾𝑔𝑉𝑅 (6.4)

Considerando-se que A esteja em quilômetros quadrados e R esteja em metros, o potencial energético total será:

𝐸 = 2793 × 𝐴𝑅² 𝑘𝑊ℎ por maré (6.5) Para 705 ciclos de marés por ano,

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𝐸 = 1,97 × 10⁶𝐴𝑅² kWh por ano (6.6) A potência média extraível em um ciclo de maré será:

𝑃 = 225 × 𝐴𝑅² kW (6.7)

As equações 6.2 e 6.3 apresentam algumas restrições, pois são independentes do formato do reservatório, entretanto, as equações resultantes 6.6 e 6.7 são significativas para as suas aplicações. Algumas considerações relacionadas a este método devem ser feitas: primeiro, a área do espelho d’água do reservatório durante o ciclo de maré foi considerado constante; segundo, as equações deduzidas aqui se aplicam a reservatórios cujas dimensões na direção da propagação da onda de maré são menores ou iguais ao comprimento da onda de maré; terceiro, as possíveis influencias das características do fundo do reservatório na propagação da maré não foram consideradas. Entretanto, se o reservatório for suficientemente profundo e as marés apresentarem níveis razoavelmente altos, as equações 6.6 e 6.7 podem fornecer uma estimativa da magnitude do potencial energético de um local. (CLARK, 2007).

6.1. Estudo de Caso: Estuário de Turiaçu – Maranhão

Na década de 80 foram realizados pela ELETROBRÁS alguns estudos sobre o potencial maremotriz no litoral do Maranhão, Pará e Amapá. (ELETROBRÁS, 1981). Tais estudos revelaram a existência de 41 baías como sendo adequadas para o aproveitamento da energia maremotriz. O potencial energético destas baias foram estimados em cerca de 72.000.000 MWh. (ELETROBRÁS, 1981).

Com base nos resultados obtidos neste estudo e relacionados resumidamente na Tabela 1.2 é que se escolheu o estuário de Turiaçu para um estudo mais detalhado do seu potencial energético, considerando agora alguns outros aspectos tais como questões ambientais e logística de implementação.

(LEITE NETO, P. B. et al, 2009).

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O estuário de Turiaçu está localizado no litoral ocidental do Maranhão, na Área de Proteção Ambiental das Reentrâncias Maranhenses. As marés médias da baía são de 4,4 m, podendo alcançar até 7 m. Uma importante característica dessa região é a predominância da vegetação de manguezal. Na Figura 6.2 é representada a localização da baía no litoral maranhense, bem como a extensão da vegetação de manguezal ao longo da costa maranhense.

Figura 6.2 – Localização da baía de Turiaçu na costa maranhense. (Fonte: OLIVEIRA, D. Q. et al, 2009b).

Na Figura 6.3 é representado o modelo genérico de um canal do estuário de Turiaçu. As cotas estão referenciadas ao Datum de Imbituba, SC.

Algumas das principais adversidades para aproveitamentos maremotrizes de grande porte na região são a vegetação de manguezal e a dificuldade de logística, pois praticamente não existem vias de acesso terrestres através dos mangues. Além disso, a pequena demanda na região implicaria em sistemas de transmissão até os grandes centros consumidores, o que poderiam tornar o projeto inviável economicamente. Entretanto, a existência de muitos canais ao longo da costa

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permitem a implementação de pequenos aproveitamentos maremotrizes. (LEITE NETO, P. B., 2009).

Figura 6.3 – Perfil típico de um canal do estuário de Turiaçu. (Fonte: LEITE NETO, P. P., et al, 2009).

Pequenos aproveitamentos maremotrizes são mais prováveis de se tornarem viáveis do que projetos maiores. (OLIVEIRA D. Q., et al, 2009b). Portanto, para fins de estudo de caso, OLIVEIRA D. Q., et al, 2009b sugere quatro sub-bacias como sendo potencialmente favoráveis à exploração em pequena escala da energia maremotriz. Na Figura 6.4 são mostradas as quatro sub-bacias selecionadas.

Na Tabela 6.1 são mostrados os volumes de renovação hídricos médios e máximos, bem como a área inundável para cada sub-bacia sugerida.

Tabela 6.1 - Relação das áreas inundáveis por maré e volumes de renovação hídrica para as sub-bacias sugeridas. (Fonte: OLIVEIRA D. Q., et al, 2009b).

Bacia Área Inundável Total (km²)

Volume de Renovação Médio (milhões de m³)

Volume de Renovação Máxima (milhões de m³)

1 39,6 10,6 32,9

2 10,6 8,0 23,1

3 3,7 0,8 2,2

4 3,5 1,8 5,4

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Figura 6.4 – Sub-bacias potencialmente favoráveis à exploração maremotriz em pequena escala. (Fonte: OLIVEIRA D. Q., et al, 2009b).

6.1.1. Avaliação do potencial energético da sub-bacia 3

A estimativa do potencial extraível é feita assumindo-se um regime de operação em efeito simples, ou seja, a geração ocorrendo durante a maré vazante.

A avaliação do potencial energético da sub-bacia 3 deve levar em consideração algumas grandezas tais como volume do reservatório, variação da queda d’água, dados das máquinas a serem utilizadas (vazão e potência produzidas), além de restrições ambientais impostas pela necessidade de preservar os manguezais.

(LEITE NETO, P. B., et al, 2009).

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Na Figura 6.5 é representado o perfil volumétrico do reservatório em função da cota.

Figura 6.5 – Perfil volumétrico da sub-bacia 3 em função da cota. (Fonte: OLIVEIRA, D. Q., et al, 2009b).

A dinâmica do ecossistema dos manguezais exige que estes sejam expostos e submersos em intervalos específicos de tempo, de acordo com a variação do nível da maré. Portanto, para preservar esta dinâmica, assume-se a hipótese de que a operação do reservatório deve acompanhar essa sistemática, com o escoamento da água até o momento em que os manguezais sejam descobertos em cada ciclo, ou seja, até a cota 0 m. Esta hipótese determina o volume de água que deverá ser turbinado por ciclo, e consequentemente determina a quantidade de turbinas necessárias para atender esse requisito. (LEITE NETO, P. B., et al, 2009).

Por se tratar de um empreendimento de pequeno porte, o modelo de turbina considerado para este estudo é a VLH (Very Low Head), conforme ilustrada na Figura 3.7. A possibilidade de aproveitamento de pequenas quedas torna esse

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modelo de turbina bastante favorável para esta aplicação. Na Figura 6.6 observa-se a variação da vazão da turbina em função da queda d’água.

Figura 6.6 – Variação da vazão da turbina VLH (Very Low Head) em função da queda d’água.

(Fonte: OLIVEIRA, D. Q., et al, 2009b).

Outra característica deste modelo de turbina que também deve ser levado em consideração é a sua curva de potência em função da queda d’água. Na Figura 6.7 é demonstrada tal característica.

A dinâmica do ecossistema dos manguezais requer que estes sejam submergidos e expostos em intervalos específicos de tempo, de acordo com a variação dos níveis de marés. (LEITE NETO, P. B., et al, 2009). Portanto, a quantidade de turbinas deve dar vazão ao volume máximo de água que o reservatório pode conter, ou seja, 2,2 x10⁶ m³ de água durante as marés de sizígia.

Este volume máximo de água corresponde ao intervalo entre as cota 0 m e +4 m.

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Figura 6.7 – Variação da potência de saída da turbina VLH (Very Low Head) em função da queda d’água. (Fonte: OLIVEIRA, D. Q., et al, 2009b).

Para efeito de estimação de energia produzida, consideram-se as marés médias em vez da maré de sizígia. Na baía de Turiaçu, a maré média varia entre as cotas -1,3 m e +3,1 m, correspondendo a uma variação de 4,4 m. (LEITE NETO, P.

B., et al, 2009).

O modelo de turbina utilizado necessita de uma queda mínima de 1,4 m a partir da qual começa a produzir energia. Conhecida a variação da diferença de altura da maré em relação ao reservatório, pode-se determinar o instante inicial do processo de geração de energia. A partir das informações da variação do nível do mar em pequenos intervalos de tempo e das informações de vazão e potência da turbina em função da queda d’água, é possível obter as curvas temporais da variação do nível do reservatório, e potência produzida, a partir da qual se obtêm a energia gerada no semi-ciclo de maré correspondente. (LEITE NETO, P. B., et al, 2009).

As restrições impostas pelos manguezais definem a quantidade mínima de turbinas, pois o reservatório deve secar até a cota 0 m mesmo durante as maiores

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marés. Portanto, utilizando-se 9 turbinas VLH, o nível do reservatório durante um semi-ciclo de maré de sizígia varia conforme mostrado na Figura 6.8. Observa-se, nesse caso, que a quantidade de turbinas foi suficiente para dar vazão suficiente à água do reservatório.

Figura 6.8 – Variação do nível do mar e do reservatório durante uma maré de sizígia. (Fonte:

LEITE NETO, P. B., et al, 2009).

Na Figura 6.9 se observa a variação temporal da potência de saída das turbinas. Vale notar que o processo de geração acontece durante aproximadamente 4 h. (LEITE NETO, P. B., et al, 2009).

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Figura 6.9 – Variação temporal da potência de saída das turbinas durante um semi-ciclo de maré de sizígia. (Fonte: LEITE NETO, P. B., et al, 2009).

A partir do gráfico ilustrado na Figura 6.9 é possível estimar a energia produzida durante o semi-ciclo de maré de sizígia: 15, 24 MWh.

Para fins de estimativa da produção anual, se considera a maré média em vez da maré de sizígia. Na Figura 6.10 é ilustrada a variação dos níveis do mar e do reservatório durante uma maré média. Observa-se que agora a geração acontece durante um intervalo de tempo bem menor do que 6 h, mais precisamente 5 h e 24 min. (LEITE NETO, P. B., et al, 2009).

A variação da potência de saída das turbinas ao longo do processo de geração é mostrada na Figura 6.11, a partir da qual se pode obter a energia gerada durante o semi-ciclo de maré média: 5,8 MWh. Considerando-se que um ano possui cerca de 705 marés, conclui-se que a sub-bacia 3, utilizando 9 turbinas VLH, produziria anualmente cerca de 4,09 GWh. (LEITE NETO, P. B., et al, 2009).

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Figura 6.10 – Variação dos níveis do mar e do reservatório durante um semi-ciclo de maré média. (Fonte: LEITE NETO, P. B., et al, 2009).

Os resultados obtidos para a sub-bacia 3 são positivos e compatíveis com as restrições ambientais impostas, além da viabilidade técnico-econômica. (LEITE NETO, P. B., et al, 2009).

Este pequeno empreendimento atende de forma satisfatória alguns critérios importantes: (LEITE NETO, P. B., et al, 2009).

 Localização próxima a um centro consumidor compatível com a geração atenua as dificuldades devido à logística, além de se tornar pouco agressivo ao meio ambiente;

 A quantidade de turbinas proposta para o projeto o caracteriza como sendo de pequeno porte e a energia produzida é compatível com as dimensões propostas;

Esta análise de estimativa de produção energética considerou apenas a geração em maré vazante. A geração em efeito duplo pode ser estimada como sendo aproximadamente o dobro do valor estimado para o efeito simples.

Obviamente que, quando as turbinas operam em ambos os sentidos, a eficiência destas será menor. Uma alternativa seria a instalação de turbinas orientadas para a

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geração no sentido mar-reservatório. Entretanto, para este caso, uma análise mais cautelosa sobre a viabilidade técnico-econômica seria necessária.

Figura 6.11 – Variação da potência de saída das turbinas ao longo do processo de geração.

(Fonte: LEITE NETO, P. B., et al, 2009).

78 Conclusão

Os grandes desafios do setor energético mundial e nacional colocam as fontes alternativas em uma posição de destaque, tendo em vista que uma maior participação destas na matriz energética será uma tendência inevitável nos próximos anos. Neste contexto, os estudos sobre a exploração da energia das marés tornam-se bastante interessantes sob um ponto de vista estratégico.

Um dos principais fatores que tem impulsionado a exploração maremotriz são os avanços e melhorias alcançados por parte dos equipamentos eletromecânicos usados na conversão da energia das marés. Esta situação permite a exploração até mesmo em situações de baixa queda, o que constitui um ponto bastante favorável para esta forma de geração de energia.

Outro ponto interessante decorrente da exploração maremotriz está relacionado à sua previsibilidade, que aliada às atuais técnicas de armazenamento e recuperação de energia, pode atenuar ou até mesmo eliminar os problemas de intermitência na geração.

Algumas usinas maremotrizes em operação, como é o caso de La Rance e Jiangxia, são exemplos práticos de viabilidade técnica no que tange à integração à rede elétrica. Isto torna a exploração maremotriz bastante atrativa em relação à tendência atual de geração distribuída.

No contexto de pequenos aproveitamentos maremotrizes, o estuário de Turiaçu – MA revelou um potencial significativo e bastante favorável. As restrições e dificuldades impostas pelas questões ambientais e de logística são melhor resolvidas neste contexto do que em grandes projetos. Além disso, a existência de centenas de pequenos estuários ao longo da costa pode tornar a região bastante atrativa para este tipo de empreendimento.

Portanto, diante dos tópicos abordados neste trabalho, pode-se concluir seguramente que esta forma de geração de energia, em situações especificas, representa uma alternativa viável tanto sob o ponto de vista técnico quanto econômico. Além de poder atender a requisitos de qualidade, confiabilidade e

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disponibilidade, que são necessários a quaisquer sistemas modernos de energia elétrica.

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OLIVEIRA, D. Q., LEITE NETO, P. B., COSTA JÚNIOR, A. L., CAMELO, N. J., O. R. SAAVEDRA, SANTOS, M. C. F. V. Relatório do Potencial Maré-Motriz do Estuário e Memória Técnica –

No documento UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ELETRICIDADE NÚCLEO DE ENERGIAS ALTERNATIVAS (páginas 63-0)