QUANTIFICAÇÃO DO RECURSO DE ENERGIA DAS ONDAS

No âmbito de várias políticas de estímulo ao uso de fontes de energia renováveis, há um crescente interesse na exploração de recursos de energia renovável marinha para a geração de eletricidade. Entre os diferentes tipos de energia marinhas, a energia das ondas é a que mais se destaca, aparecendo como uma das opções mais promissoras no que se refere à produção de eletricidade, traduzindo-se em estudos de caracterização do recurso de energia das onda e no desenvolvimento de conversores de energia das ondas (WEC) (Vicinanza et al., 2013).

Atualmente, a Europa é líder mundial em investigação no setor de energia marinha, desenvolvimento e implementação de tecnologias de conversão de energia das ondas. No entanto, os dispositivos WEC apresentam inúmeros desafios nos seguintes campos: capacidade de sobrevivência mecânica, estratégias de controlo, integração na rede e manutenção. Como resultado, nenhum WEC atingiu ainda a fase de comercialização apesar do número considerável de conceitos WEC que foram propostos e testados nos últimos anos (Ramos et al., 2018)

COSTA NORTE DO LÁCIO EM ITÁLIA

O mar Tirreno, é caracterizado por grandes extensões costeiras e de elevada relevância no que diz respeito à potência das ondas oceânicas. A área de estudo estende-se de San’Agostino a Machia Tonda situada na região norte do Lácio, na Itália, Figura 23. Neste local está localizado o porto de Civitavechia, conhecido como um dos maiores portos da Europa no que diz respeito ao tráfego de cruzeiros e navios de carga. Nos últimos tempos a autoridade portuária tem dedicado uma especial atenção ao setor da energia renovável apoiando a realização de testes de conversores de energias renováveis em infraestruturas já disponíveis (Paladini de Mendoza et al., 2016).

Figura 23 – Área de estudo onde são apresentadas a posição e o domínio computacional das boías para o modelo de onda regional (retângulo grande) e local (retângulo pequeno) (Paladini de Mendoza et al., 2016).

Neste caso de estudo foi escolhido o local com o melhor rendimento para a instalação de um WEC, tendo em consideração a avaliação sazonal da energia das ondas e os possíveis impactos ambientais consequentes da instalação do dispositivo.

Para monitorizar o clima das ondas offshore e nearshore, foram instaladas no local em estudo quatro bóias (círculos na Figura 23).

De forma a avaliar a potência das ondas (Wave Italian Atlas), foi recolhida a maior quantidade de dados de ondas possível dos conjuntos de dados fornecidos pela Rede Nacional de Monitorização de ondas (RON) e pela Autoridade Nacional de Energia Elétrica (ENEL).

Para esta avaliação foi usado um elevado número de bóias, Figura 24 que, contudo não foram suficientes para garantir a cobertura total do mar Tirreno. Por este motivo foi necessário recorrer à avaliação estatística dos parâmetros das ondas obtidos através dos modelos numéricos fornecidos pelo projeto MEDATLAS.

A altura significativa da onda (Hs), o período de pico (Tp) e a direção são usados neste estudo com duas intenções: avaliar a potência das ondas no mar e fornecer condições de fronteira nas simulações numéricas de propagação de ondas (Paladini de Mendoza et al., 2016).

Figura 24 – Localização da fonte de dados de ondas usada na avaliação nacional (Paladini de Mendoza et al., 2016).

O quebramar do Porto de Civitavecchia é o local onde se pretende implementar o dispositivo conversor de energia das ondas. A energia anual das ondas disponível, calculada com base em registos de dados de ondas de 15 anos, é de 25.4 MWh/m e, durante o ano, é sujeita a uma oscilação sazonal muito importante de cerca de 5.4 MWh/m entre o verão e o inverno. Na Tabela 3 é apresentado o resumo da potência e energia das ondas anuais e sazonais disponíveis em frente ao quebramar do Porto de Civitavecchia.

Tabela 3 – Valores de potência energia das ondas anuais e sazonais em frente ao quebramar do Porto de Civitavecchia (Paladini de Mendoza et al., 2016).

Período Potência (kW/m) Energia (MWh/m)

Anual 2.9 25.4

Outono 3.6 7.8

Inverno 4.1 8.9

Primavera 2.4 5.2

Verão 1.6 3.5

Na avaliação anual do local, Figura 25, à exceção da quantidade de energia (valores máximos de outono e inverno) a potência das ondas mostra a mesma distribuição espacial.

Figura 25 - Distribuição da energia anual total por metro de frente de onda (escala de

cores); as curvas representam isolinhas de potência das ondas expressas em kW/m. (Hm0, altura de onda

significativa; Te, período de energia) (Paladini de Mendoza et al., 2016).

Para além da disponibilidade de energia e acessibilidade do local, um dos aspetos que deve ser considerado na escolha do local ideal para a exploração de energia de ondas são as consequências ambientais associadas.

Os possíveis impactos negativos para o meio ambiente com a exploração da energia das ondas são: • Perda, degradação e alteração de habitats causados pela construção da estrutura e ancoragem no

fundo do mar;

• Colisão e aprisionamento, especialmente para WECs com turbinas rotativas ou captação de água do mar, que podem condicionar espécies marinhas móveis e aves de mergulho;

• Ruídos e distúrbios gerados principalmente durante a construção. Para as aves, a fase de construção e operação dos WECs pode afetar, por exemplo, a via de migração;

• Os campos eletromagnéticos induzidos pelos cabos de energia submersos podem interferir com vários organismos sensíveis a eletromagnetismo, como peixes ósseos, tartarugas marinhas e mamíferos marinhos.

Assim, as características ambientais foram analisadas tendo em conta a localização e extensão dos locais de elevada importância comunitária, a presença de mamíferos e aves que necessitam de proteção. Em estudos anteriores os habitats terrestes são pouco mencionados, porém, com a exploração de energia das ondas, mamíferos terrestres sensíveis como por exemplo os morcegos, as fases de construção e operação podem interferir nomeadamente na deteção de presas podendo alterar a sua eco-sonda.

Figura 26 - Potência de onda sazonal simulada numericamente (kW/m) no modelo local; as isolinhas a preto representam a profundidade da água (Paladini de Mendoza et al., 2016).

Deste modo, a partir da avaliação à escala global, a área de estudo mostra um nível intermediário de disponibilidade de energia. Dos locais onde há uma maior capacidade de acolher um dispositivo WEC, o Porto de Civitavecchia destaca-se pelos seguintes motivos:

• Ausência de local de importância comunitária;

• Menor presença de espécies sensíveis à exploração da energia das ondas; • Custos de instalação, conetividade e manutenção mais fáceis;

A grande profundidade na frente da estrutura portuária permite obter uma grande quantidade de energia das ondas existindo uma taxa de dissipação de energia 10% menor quando comparada com a energia das ondas offshore.

NOROESTE DA SARDENHA (ITÁLIA)

Os preços da eletricidade em Itália estão entre os mais altos dos países europeus. Por isso, há cada vez mais incentivos à diversificação de fontes de energia, investimentos em produção de energia, auto produção e promoção de fontes renováveis.

De forma a estimar o potencial da energia das ondas no noroeste da Sardenha em Itália, foi efetuada uma análise dos registos de agitação marítima entre 1989 e 2009, baseada nos dados adquiridos offshore pela Italian Wave Network (IWN) (Vicinanza et al., 2013).

As bóias encontram-se localizadas em Itália estando posicionada conforme apresentado na Figura 27. Em comparação com outros países europeus, o potencial de energia das ondas em Itália é relativamente baixo, contudo foram identificados alguns locais que podem ter valores de alturas de onda significativas mais elevadas e, consequentemente, promissores para a exploração da energia das ondas. Um desses locais com melhores recursos é a região nordeste da ilha de Sardenha.

Analisando a potência média mensal e anual das ondas, verificou-se que Alghero, uma cidade italiana situada na Sardenha, apresenta um valor igual a 9.05 kW/m, o que significa que possui algum potencial de aproveitamento (Vicinanza et al., 2013).

Figura 27 – Localização das boias ondógrafo do IWN (Vicinanza et al., 2013).

A análise realizada em Alghero é apresentada com base em duas fontes de dados de ondas: boías e dados de transmissão de ondas. Os registos das boías direcionais do tipo pitch-roll que operam desde 1989, armazenavam medições de ondas em cada 3 h durante 30 minutos. O conjunto de dados inclui a altura de onda significativa (Hmo), o período médio da onda (Tm) e a direção média da onda (Өm).

O conjunto de dados foi complementado com os dados do Centro Europeu de Previsões Meteorológicas de Médio Prazo (ECMWF). O ECMWF consiste num projeto de assimilação de dados meteorológicos sendo utilizado para a previsão de estados meteorológicos futuros. Foram selecionados três pontos de referência representativos da costa noroeste da Sardenha, Figura 28.

Figura 28 - Localização dos pontos ECMWF e boia de Alghero (Vicinanza et al., 2013).

A Tabela 4 apresenta a avaliação da potência média mensal e anual das ondas resumidas nos pontos P1, P2, P3 e nas boias de Alghero. Verificou-se que a potência anual das ondas variava entre 8.91 kW/m e 10.29 kW/m, maioritariamente devido às ondas de noroeste.

Tabela 4 - Potência média mensal e anual das ondas em cada ponto de referência, (Vicinanza et al., 2013).

P1 P2 P3 Boía (kW/m) Janeiro 15.02 12.46 12.04 12.39 Fevereiro 16.19 13.34 13.17 13.43 Março 12.37 9.96 10.16 10.2 Abril 11.16 9.13 9.21 10.78 Maio 6.49 5.71 6.33 5.85 Junho 4.95 4.78 5.74 4.13 Julho 4.95 5.42 6.77 4.32 Agosto 5.03 5.46 6.48 3.68 Setembro 6.27 6.25 7.29 6.16 Outubro 8.31 7.29 8.08 7.47

Na caracterização da energia das ondas na bóia de Alghero, em termos de altura de onda significativa, é de notar que mais de 50 % da energia anual das ondas é fornecida por ondas com alturas significativas entre 1 e 3 m, Figura 29

Tabela 5 - Classes de potência e estado do mar equivalente medidos na boía ondógrafo Alghero. Classe de Potência Estado do mar equivalente

H mo (m) Te (s) <1 kW/m <0.7 <3.8 1-5 kW/m 0.7-1.4 3.8-5.3 5-10 kW/m 1.4-1.8 0.3-6.0 10-20 kW/m 1.8-2.5 6.0-7.1 20-50 kW/m 2.5-3.5 7.1-8.4 50-100 kW/m 3.5-4.6 8.4-9.5 >100 kW/m >4.6 >9.5

Figura 29 - Caracterização da energia média anual das ondas na bóia de Alghero em termos de altura de onda significativa (Hm0 ) e período de energia (Te). A escala de cores representa a energia anual por metro de frente

da onda (em MWh / m). Os números no gráfico indicam a ocorrência de estados do mar (em número de horas por ano) e as isolinhas referem-se à energia das ondas (Vicinanza et al., 2013).

Numa segunda fase de análise do comportamento das ondas da costa noroeste de Sardenha foi efetuada a caracterização da energia das ondas nearshore. Para prever a localização potencial de WECs ou parques de WEC na costa oeste da Sardenha, foi calculada uma densidade de fluxo de energia com uma frente de 20 m. Em função da densidade populacional da zona costeira foram analisadas sete locais, Figura 30.

A energia das ondas nas áreas costeiras pode também ser prevista com a aplicação de modelos numéricos para simular as transformações das ondas perto da costa. Para considerar as variações espaciais da potência das ondas que ocorrem perto da costa oeste da Sardenha, os padrões de agitação foram estudados através do modelo numérico de propagação costeira Mike 21 NSW. O modelo Mike 21 NSW é um modelo de ondas que descreve a propagação, crescimento e decaimento de ondas de curto período e de crista curta em áreas próximas à costa.

A Tabela 6 apresenta as coordenadas dos locais de estudo e a potência média mensal e anual.

Tabela 6 - Potência média das ondas e energia anual por metro de frente da onda (com base na média de 22 anos) em cada local de estudo (Vicinanza et al., 2013).

Potência Média

Energia Anual Coordenadas

kW/m MWh/m Norte Este S1 9.95 87 40°38'17.07" 8°09'30.10" S2 3.83 34 44°33'45.73" 8°18'13.24" S3 7.05 62 40°29'54.78" 8°20'28.22" S4 8.27 72 40°23'10.77" 8°22'48.92" S5 5.45 48 40°17'17.79" 8°28'18.04" S6 10.91 96 40°11'47.37" 8°27'36.94" S7 8.81 77 40°04'21.17" 8°27'47.57"

Os locais S1 e S6 são os mais propícios à instalação de parques de WEC’s do ponto de vista energético. Para além disso, ambos os locais não estão muito longe do porto (cerca de 17.8 km de Porto Conte e 11.7 km de Bosa Marina, respetivamente) o que significa que poderiam ser diretamente fornecidos com eletricidade dos pontos referidos.

Figura 31 - Caracterização da energia média anual das ondas no local S6 em termos de altura de onda significativa das ondas (Hm0) e período de energia (Te). A escala de cores representa a energia anual por metro

de frente da onda (em MWh / m). Os números no gráfico indicam a ocorrência de estados do mar (em número de horas por ano) e as isolinhas referem-se à energia das ondas (Vicinanza et al., 2013).

Para o local S5 a 1.7 km do porto da Marina de Bosa, a energia explorável atinge maior valor (48 MWh/m/ano), Figura 32. Provavelmente, na perspetiva de uma expansão do porto existente, poderia ser

interessante captar o potencial das ondas através de um WEC integrado no quebramar. Apesar de uma estrutura de defesa costeira ser contruída para dissipar energia das ondas recebidas e deste modo promover a estabilização costeira, o quebramar poderia assim capturar a energia pelos dispositivos WEC e transformar em energia elétrica, para além de que seria uma solução ambientalmente sustentável. A seleção do local ideal para a exploração de um sistema de extração de energia das ondas deve combinar a caracterização das ondas que fornecem energia a considerações adicionais, como custos de instalação e operação, fatores institucionais, sensibilidade ambiental e interferências com atividades humanas.

Figura 32 - Caracterização da energia média anual das ondas no local S5 em termos de altura significativa das ondas (Hm0) e período de energia (T e). A escala de cores representa a energia anual por metro de frente da onda

(em MWh / m). Os números no gráfico indicam a ocorrência de estados do mar (em número de horas por ano) e as isolinhas referem-se à energia das ondas (Vicinanza et al., 2013).

Após a análise da energia das ondas offshore e nearshore, verifica-se que todos os locais possuem um recurso razoável para a conversão de energia das ondas, sendo de destacar os locais S1 e S5.

COSTA DA MORTE,ESPANHA

A Costa da Morte é uma das áreas mais promissoras para o aproveitamento da energia das ondas na Península Ibérica, tendo sido estudado o potencial de um parque de WEC a instalar no local, Figura 33. A análise da interação onda-WEC depende em primeiro lugar do coeficiente de transmissão e em segundo lugar das condições de agitação marítima em análise.

A interação entre as ondas e os dispositivos conversores de energia das ondas, é calibrado usando resultados de um modelo físico.

Figura 33 – Área de estudo no noroeste da Espanha (Carballo et al., 2013)

O estudo consistiu em duas partes. Na primeira, foram realizados testes em modelo físico 3D para obter valores reais do coeficiente de transmissão para os estados do mar mais característicos da região de interesse. Para esses testes foi considerada um dispositivo WEC do tipo galgamento, o WaveCat. Na segunda parte, os valores do coeficiente de transmissão assim obtidos foram inseridos num modelo de ondas espectral de alta resolução, que foi usado para avaliar a modificação do clima de ondas nearshore que resultaria de diferentes configurações do parque de ondas.

As características das ondas testadas basearam-se no clima das ondas offshore, determinado a partir do ponto SIMAR-44 (Figura 33) entre 1958 a 2001. De modo a apresentar uma caracterização mais completa do recurso anual da energia das ondas a Figura 34 reproduz o diagrama de dispersão do recurso das ondas para diferentes combinações de altura de onda significativa, período de energia sendo que a escala de cores corresponde à energia anual por frente da onda (KWh/m),e os números a frequência de ocorrência para um dado ano médio, a potência média das ondas por metro de comprimento de crista, é representado por J em kW/m.

Tabela 7 – Principais parâmetros dos recursos da onda (Carballo et al., 2013).

(Hs) média ± padrão.dev.(m) 2.52±1.35 (Hs)máx (m) 14.7 J média (kW/m) 46.88 J máx (kW/m) 1765.1

Figura 34 – Diagrama de dispersão do recurso de energia das ondas offshore no ponto SIMAR-44 (Carballo et

al., 2013).

COSTA ATLÂNTICA DA PENÍNSULA IBÉRICA

Devido à sua localização, frente ao Atlântico Norte, a costa atlântica da Península Ibérica está sujeita a variações sazonais e a um regime de ondas altamente energético, Figura 35. Por estas razões este local mostrou-se a ideal para avaliar o desempenho do conceito CECO sob uma ampla gama de condições de agitação marítima diferentes, que será apresentada mais à frente.

O clima de ondas da região foi caracterizado para um período de 11 anos (de 2005 a 2015) por meio do modelo de ondas espectrais SWAN (Simulating Waves Nearshore) (Ramos et al., 2017).

O SWAN é um modelo de onda espectral de terceira geração desenvolvido pela Delft Univeristy of Technology tendo sido aplicado com sucesso em diferentes campos da engenharia costeira e ultimamente aparece como uma ferramenta para a caracterização do recurso da energia das ondas (Ramos et al., 2017). Possui como uma das maiores vantagens a manutenção da estrutura dos ficheiros de dados e de resultados o que permite a fácil atualização de versões mais robustas e completas do modelo sempre que necessário (LNEC, 2017).

As condições de fronteira das ondas utilizadas para a implementação do modelo foram obtidas através dos conjuntos de dados obtido a partir da bóia SIMAR-44, tal como no caso anterior, Figura 33. Para a definição do recurso da energia das ondas, as condições foram avaliadas através do modelo acima referido entre janeiro de 2005 e dezembro de 2015 com intervalos de 1 hora e posteriormente usadas para a construção das matrizes de energia das ondas com os estados do mar caracterizados em termos de altura de onda significativa, Hm0 , período de pico, Tp, número anual de horas de ocorrência, hi,e energia das ondas omnidirecional, EWi. As matrizes do recurso foram construídas anualmente, interanualmente e intra-anualmente para todos os locais na área de estudo correspondentes à profundidade da água de operação do CECO (30 m). A Figura 36 mostra um exemplo para um conjunto de matrizes de ondas unidirecionais em diferentes locais (43 ° N, 40 ° N, 38 ° N) na área de estudo (Ramos et al., 2017).

Figura 35 - Localização e malha SWAN da área de estudo na costa atlântica da Península Ibérica (Ramos et al., 2017).

Em geral, a maior parte do recurso energético encontram-se homogeneamente concentrada na faixa de 1.5 a 5 m de Hm0 e 9 a 16s de Tp, com alguns estados do mar atingindo valores até 20 MWh/m em locais mais a norte. Por outro lado, nas localidades a sul, o recurso disponível diminui consideravelmente, com apenas alguns estados do mar que pouco ultrapassam os 12 MWh/m.

Figura 36 - Exemplo de três matrizes do recurso de energia das ondas em diferentes locais (43° N, 40° N, 38° N) (Ramos et al., 2017).

PLATAFORMA CONTINENTAL DA NORUEGA

A extração offshore de hidrocarbonetos é essencial para atender à crescente procura mundial de eletricidade. Desde 2000, as instalações offshore de petróleo e gás (O&G) são responsáveis por 30% e 27% da extração mundial de petróleo e gás, respetivamente em vários locais como o Golfo do México, Mar do Norte, no exterior do Brasil, entre outros locais.

A combustão de gás natural ou gasóleo para a geração de eletricidade em instalações offshore é a principal fonte de emissões de CO2, NOx. Deste modo, uma alternativa para a geração de energia seria a utilização de turbinas eólicas offshore combinada com um conversor de energia das ondas através por exemplo da tecnologia de coluna de água oscilante (CAO).

Para analisar a viabilidade e o potencial do uso de parques de ondas para o fornecimento de uma instalação remota de O&G corresponde a uma plataforma de petróleo operando atualmente na Plataforma Continental Norueguesa (NCS) foi realizado para o aproveitamento do recurso energético disponível no Mar do Norte (Oliveira-Pinto et al., 2019).

O recurso local da energia das ondas foi avaliado com base num diagrama de dispersão representando o clima das ondas num local a aproximadamente 5 km da plataforma de O&G do caso de estudo, Figura 37.

Figura 37 - Diagrama de dispersão das condições de agitação marítima no local de implantação da plataforma de petróleo (os números no gráfico representam o número médio de horas por ano de ocorrência de cada estado do

mar) (Oliveira-Pinto et al., 2019).

O diagrama de dispersão foi obtido a partir de registos entre 1958 e 2014 com um intervalo de tempo de 3 horas, utilizando conjuntos de dados de transmissão de ondas da base de dados da Norwegian Reanalysis 10 km (NORA10), desenvolvido pelo Instituto Meteorológico Norueguês. O recurso de energia das ondas é normalmente descrito através da potência média das ondas por metro de comprimento de crista, J (kW/m), e pode ser calculado em condições offshore usando a seguinte expressão: 𝐽 =𝜌𝑔 2 64𝜋∑ ∑ 𝐻𝑠𝑗 2 𝑀 𝑗=1 𝑁 𝑖=1 𝑇𝑒𝑖𝑓𝑖𝑗 (1)

em que N representa o número de classes de períodos de onda, M o número de classes da altura de onda significativa e fij a frequência de ocorrência do estado do mar nas classes ith e jth do diagrama de dispersão (Oliveira-Pinto et al., 2019).

PORTO DE VALÊNCIA

O porto de Valência é um dos maiores portos de Mediterrâneo. Os dados utilizados nesta análise foram obtidos em redes de medição (boias, medidores de níveis marés e radares de alta frequência, em particular a Rede Espanhola REDEXT, composta por 15 boías, sendo 12 do tipo Seawatch e 3 do tipo

Wavescan. Essas boías enviam os seus dados em tempo real através de parâmetros integrados e do

espectro de densidade de energia, via satélite, para os Puertos del Estado Figura 38 e Figura 39 (Cascajo

et al., 2019).

Figura 38 – Localização das Boías REDEXT (Cascajo et al., 2019).

Figura 39 - Localização das Boías de Valência, SIMAR 2081113 e SIMAR 622028053 (Cascajo et al., 2019).

A Tabela 8 e a Tabela 9 mostram a probabilidade de ocorrência de diferentes condições de agitação marítima. Estas tabelas têm como propósito uma primeira abordagem para estimar a potência do recurso