P
RÉ
-
AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE
DISPOSITIVOS DE EXTRAÇÃO DE ENERGIA
DAS ONDAS NO QUEBRAMAR NORTE DO
P
ORTO DE
L
EIXÕES
M
ARIANAI
SABELS
OARESF
ERREIRAM
OREIRADissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de
MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM HIDRÁULICA
Orientador: Professor Doutor Francisco de Almeida Taveira Pinto
Coorientador: Professor Doutor Paulo Jorge Rosa Santos
M
ESTRADOI
NTEGRADO EME
NGENHARIAC
IVIL2019/2020
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel. +351-22-508 1901
Fax +351-22-508 1446 [email protected]
Editado por
FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias
4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440 [email protected] http://www.fe.up.pt
Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2019/2020 -
Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2020.
As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir.
AGRADECIMENTOS
O trabalho que aqui apresento contou com a ajuda de muitas pessoas, pela motivação, esclarecimento de dúvidas, sugestões e colaboração que merecem o agradecimento por parte do autor.
Em primeiro lugar gostaria de agradecer ao meu orientador, Professor Francisco Taveira Pinto e ao meu coorientador Professor Paulo Rosa Santos por toda a paciência demonstrada ao longo destes meses atípicos de pandemia.
Um obrigado à minha família que sempre me apoiou ao longo de todo o meu percurso académico em especial à minha mãe por ter feito de tudo para que tivesse sucesso dando me todos os meios possíveis para que fosse possível ser engenheira.
Gostaria de agradecer a todos os meus amigos que começaram a vida académica comigo e que vamos terminar juntos, em especial ao Miguel Gomes por toda ajuda nesta reta final.
Agradeço ao Francisco Taveira Pinto por toda a motivação em acabar a tese e toda a força e amizade ao longo deste ano. Sem dúvida, um amigo que levarei para sempre!
À Diana Barbosa por todos os momentos “pensa comigo” durante todo este percurso, “na hora de pôr a mesa, seremos sempre cinco”.
Um especial agradecimento à Mariana, ao meu maior orgulho e motivação e ao meu maior exemplo a seguir. Obrigada por estares e por teres estado sempre lá.
Ao João Lázaro, a minha calma e a minha força ao longo destes anos, obrigada por tornares fácil o meu complicado, obrigada por acreditares em mim.
Por fim e não menos importante, à Dona Esmeralda, por toda a ajuda ao longo do meu pergurso em hidráulica e toda a paciência, sem dúvida uma das pessoas mais especiais que conheci, que nunca acabe essa sua boa disposição e o amor pelo seu trabalho.
RESUMO
Os combustíveis fósseis são uma das maiores dependências energéticas da humanidade. O consumo excessivo destes provoca consequências graves no planeta tais como, o aumento do nível médio das águas do mar, o aquecimento global, o degelo e a poluição atmosférica.
De forma a reduzir os consumos excessivos de combustíveis fosseis e assegurar um desenvolvimento sustentável é necessário desenvolver soluções de aproveitamento de fontes de energia renováveis limpas e sustentáveis.
Das inúmeras fontes de energia limpa e renovável, o potencial da energia das ondas é muito significativo, apesar de ainda não ser uma das fontes renováveis mais exploradas. Deste modo, na presente dissertação, serão analisados três possiveís dispositivos de conversão da energia das ondas que obedeceram a dois critérios de escolha: capacidade de serem integrados no prolongamento do quebramar norte do Porto de Leixões e a existência da respetiva matriz de potência.
O dispositivo SSG (Sea-wave Slot-Cone Generator) foi desenvolvido pela empresa WAVEenergy, localizada na Noruega, onde tem sido investigado na Universidade de Aalborg. Esta tecnologia aproveita a energia através do princípio do galgamento provocado pelas ondas do mar.
O dispositivo Wavestar é um dos conceitos mais estudados quando se fala em conversores de energia das ondas. Este dispositivo foi já instalado na costa ocidental da Dinamarca, sendo composto por 20 flutuadores ligados a uma plataforma fixa.
Por fim, o dispositivo ALETTONE é caracterizado por uma arquitetura mecânica de baixo custo, sendo que os dados utilizados nesta dissertação são provenientes de modelação numérica e física.
O objetivo do presente trabalho é selecionar, entre os três dispositivos de conversão de energia das ondas, o que melhor será capaz de satisfazer as necessidades energéticas do porto de Leixões de forma limpa e sustentável. Foram analisados critérios tais como: energia capturada, rendimento, ruido, peso, quantidade de dispositivos capazes de serem instalados no prolongamento de 300 m do quebramar que será construído no porto de Leixões.
O dispositivo ALETTONE, nomeadamente o modelo 1-OC e o modelo 2-OC, foi aquele que apresentou melhores resultados, tendo capacidade de satisfazer os consumos do Porto de Leixões em cerca de 61% e 77%, respetivamente, caso sejam aplicados 92 módulos ao longo dos 300m relativos ao prolongamento do quebramar Norte do Porto de Leixões. No entanto, apesar de ser um forte candidato à instalação no porto, ainda está numa fase muito precoce de desenvolvimento.
PALAVRAS-CHAVE: Energias renováveis, energia das ondas, SSG (Sea-wave Slot-Cone Generator), Wavestar, ALETTONE, galgamento, corpos oscilantes
ABSTRACT
Fossil fuels are one of mankind's greatest energy dependencies. Excessive consumption of these fuels has serious consequences on the planet, such as the global warming, melting ice, sea level rise and air pollution.
In order to reduce excessive consumption of fossil fuels and ensure sustainable development, it is necessary to develop solutions for using clean and sustainable renewable energy sources.
Of the many sources of clean and renewable energy, the potential of wave energy is very significant, although it is not yet one of the most exploited renewable sources. Thus, in this dissertation, three possible wave energy conversion devices will be analysed which obey two criteria of choice: the capacity to be integrated in the extension of the north breakwater of the Port of Leixões and the existence of the respective power matrix.
The SSG (Sea-wave Slot-Cone Generator) device was developed by the company WAVEenergy, located in Norway, where it has been investigated at Aalborg University. This technology harnesses energy through the principle of wave overtopping.
The Wavestar device is one of the most studied concepts when it comes to wave energy converters. This device was already installed on the west coast of Denmark and consists of 20 floats connected to a fixed platform.
Finally, the ALETTONE device is characterized by a low cost mechanical architecture and the data used comes from numerical and physical modelling.
The aim of this work is to select, from among the three wave energy conversion devices, the one that will best meet the energy needs of the port of Leixões in a clean and sustainable way. Criteria such as: captured energy, yield, noise, weight, quantity of devices capable of being installed in the 300 m extension of the breakwater that will be built in the port of Leixões were analysed.
The ALETTONE device, namely the 1-OC model and the 2-OC model, was the one that showed the best results, having the capacity to satisfy the consumption of the Port of Leixões in about 61% and 77%, respectively, if 92 modules are applied along the 300 m corresponding to the extension of the north breakwater of the Port of Leixões. However, despite being a strong candidate for installation in the port, it is still at a very early stage of development.
KEYWORDS: Renewable energy, wave energy, SSG (Sea-wave Slot-Cone Generator), Wavestar, ALETTONE, overtopping, oscillating bodies.
ÍNDICE GERAL AGRADECIMENTOS ... i RESUMO ...iii ABSTRACT ... v
1. Enquadramento e Objetivos ...
………1
ENQUADRAMENTO……… ... 1 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO ... 22. Estratégias para a Transição Energética nos Portos ... 5
INTRODUÇÃO……… ... 5
CARACTERIZAÇÃO DOS CONSUMOS ENERGÉTICOS EM PORTOS MARÍTIMOS ... 5
Onshore Power Supply (OPS)…………. ... 7
Gás Natural Liquefeito (GNL)……… ……….8
Taxas Portuárias Ambientalmente Diferenciadas ... 9
CARACTERIZAÇÃO GERAL DOS CONSUMOS ENERGÉTICOS EM ALGUNS PORTOS ... 10
Portos do Douro, Leixões e Viana do Castelo ... 11
Porto de Sines……… ... 14
OS PORTOS E AS ENERGIAS RENOVÁVEIS ... 14
Energia Solar……… ... 16
Energia Eólica……… ... 17
Energia Geotérmica……… ... 18
Energia das Ondas………. ... 18
Coluna de Água Oscilante (OWC) ... 21
Aplicação no Porto de Mutriku………22
Aplicação na ilha de Islay, Escócia ... 23
Aplicação no Porto do Cachorro, Ilha do Pico, Açores ... 24
Corpos Oscilantes……….. ... 25
Dispositivo WaveStar……… ... 25
Aplicação no Porto de Pecem………. ... 28
Dispositivos por Galgamento……….. ... 28
Sea Slot-Cone Generator (SSG) ... 28
OBREC……… ... 29
QUANTIFICAÇÃO DO RECURSO DE ENERGIA DAS ONDAS ... 30
Costa Norte do Lácio em Itália……….. ... 31
Noroeste da Sardenha (Itália)……… ... 35
Costa da Morte, Espanha……… ... 40
Costa atlântica da Península Ibérica ... 42
Plataforma Continental da Noruega ... 44
Porto de Valência……….. ... 46
CARACTERIZAÇÃO DE ALGUNS DISPOSITIVOS ... 48
3. Caso de Estudo:Porto de Leixões ... 65
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DO PORTO ... 65
CONSUMOS DE ENERGIA E CENÁRIOS DE EVOLUÇÃO FUTURA ... 67
Consumos energéticos………. ... 69
Tendência para o futuro da energia das ondas ... 73
CARACTERIZAÇÃO DO RECURSO DISPONÍVEL (ENERGIA DAS ONDAS) ... 73
APLICAÇÃO AO PORTO DE LEIXÕES ... 76
Sea-Wave Slot-Cone Generator (SSG) ... 52
WaveStar……… ... 58
ALETTONE………. ... 60
DIMENSIONAMENTO E AVALIAÇÃO DA ENERGIA PRODUZIDA ... 76
Metodologia para a avaliação dos conversores ... 77
Dispositivo SSG………. ... 80
Dispositivo WaveStar C5……….. ... 84
Dispositivo Alettone………. ... 88
ANÁLISE DE SOLUÇÕES COMPLEMENTARES (TENDO EM VISTA AS METAS ESTABELECIDA PARA O SECTOR)……..………. 92
4. Considerações finais ..
……….………97
SÍNTESE……… ... 97
DESENVOLVIMENTOS FUTUROS……… ... 98
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Top 10 das Prioridades Ambientais dos Portos Europeus nos últimos anos (ESPO, 2019)... 7
Figura 2 - Fornecimento de Energia Elétrica em Terra (ESPO, 2019). ... 8
Figura 3 – Fornecimento de Gás Natural Liquefeito (ESPO, 2019). ... 9
Figura 4 – Otimização de taxas portuárias ambientalmente diferenciadas (ESPO, 2019). ... 10
Figura 5 - Consumos Energéticos da APDL entre 2008 e 2018. ... 11
Figura 6- Consumos Energéticos do Porto de Leixões (a) e do Porto de Viana do Castelo (b) entre 2015 e 2018. ... 12
Figura 7 - Cargas Movimentadas no Porto de Leixões (a) e no Porto de Viana do Castelo (b) entre 2014 e 2018. ... 13
Figura 8 - Consumos Energéticos do Porto de Sines e respetiva relação com movimentação de mercadorias entre 2008 e 2017. ... 14
Figura 9- Emissões atuais e projetadas por setor no porto de San Diego (Port of San Diego, 2013) ... 17
Figura 10 – Potência das ondas disponível em comparação com o consumo energético dos continentes (Gunn et al., 2012). ... 19
Figura 11 - Grupos de conversores de energia de ondas (adaptado de Pecher e Kofoed (2017)). ... 21
Figura 12- Conceito de Coluna de Água Oscilante (Mustapa et al., 2017) ... 22
Figura 13 - Porto de Mutriku (Google earth). ... 22
Figura 14 – Sistema LIMPET situado na Escócia (Vicinanza et al., 2019). ... 24
Figura 15 – (a) Vista posterior do dispositivo de CAO da ilha do Pico (Falcão, 2010). ... 25
Figura 16 – Plataforma de suporte e quatro fundações rígidos (Ransley et al., 2017). ... 26
Figura 17 - Ilustração do dispositivo Wavestar em modo operacional (esquerda) e modo de ocorrência de tempestades (direita) (Mustapa et al., 2017). ... 26
Figura 18 – Dispositivo EWP (a) Power Wing. (b) Wave Clapper (Cascajo et al., 2019). ... 27
Figura 19 – Perspetiva de uma possível implantação do Eco Wave Power no Molhe Norte da foz do Douro (REM, 2020). ... 27
Figura 20 – Sistema Seahorse do Porto do Pecem, Brasil (Cascajo et al., 2019). ... 28
Figura 21 - Esquema do Seawave Slot-Cone Generator (SSG) (Vicinanza et al., 2008) ... 29
Figura 22 – Dispositivo OBREC (Cascajo et al., 2019). ... 30
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). ... 31
Figura 24 – Localização da fonte de dados de ondas usada na avaliação nacional (Paladini de Mendoza et al., 2016). ... 32
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). ... 33
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). ... 34
Figura 27 – Localização das boias ondógrafo do IWN (Vicinanza et al., 2013). ... 35
Figura 28 - Localização dos pontos ECMWF e boia de Alghero (Vicinanza et al., 2013). ... 36
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). ... 37
Figura 30 - Batimetria do noroeste da Sardenha, da área de estudo e da localização dos locais de estudo. ... 38
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). ... 39
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). ... 40
Figura 33 – Área de estudo no noroeste da Espanha (Carballo et al., 2013)... 41
Figura 34 – Diagrama de dispersão do recurso de energia das ondas offshore no ponto SIMAR-44 (Carballo et al., 2013). ... 42
Figura 35 - Localização e malha SWAN da área de estudo na costa atlântica da Península Ibérica (Ramos et al., 2017). ... 43
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). ... 44
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). ... 45
Figura 38 – Localização das Boías REDEXT (Cascajo et al., 2019). ... 46
Figura 39 - Localização das Boías de Valência, SIMAR 2081113 e SIMAR 622028053 (Cascajo et al., 2019). ... 46
Figura 40 – Secção transversal do quebramar do porto de Valência (25 m de profundidade). ... 48
Figura 41 - Representação esquemática do conceito CECO (Ramos et al., 2017). ... 49
Figura 42 – Matriz de potência absorvida pelo CECO a profundidades de água de 30 m (Ramos et al., 2017).... 50
Figura 43 – Tecnologias selecionadas para conversão de energia das ondas : (a) F-OWC; (b) F-3OF; (c) F-2HB; (d) F-HBA; € Bref-SHB; (f) Pelamis; (g) Bref-HB (Oliveira-Pinto et al., 2019) ... 51
Figura 44 - Matrizes de potência para os sete WECs selecionados (Oliveira-Pinto et al., 2019). ... 52
Figura 45 - Localização do local de estudo (o ponto vermelho indica a posição da bóia – ondógrafo (Veigas et al., 2014). ... 53
Figura 46 – Esboço do protótipo SSG, adaptado (Veigas et al., 2014). ... 54
Figura 47 - Diagrama de dispersão médio anual omnidirecional do recurso energia das ondas offshore na bóia ondógrafo (Veigas et al., 2014). ... 54
Figura 48 - Matriz de Potência do protótipo SSG (Mustapa et al., 2017). ... 55
Figura 49 - A ilha de Kvitsøy e o local selecionado para a instalação do dispositivo SSG (Margheritini et al., 2009). ... 55
Figura 50 - Esboço do protótipo do dispositivo SSG (Margheritini et al., 2009). ... 56
Figura 51 – Esquema do tanque de ondas 3D (Vicinanza et al., 2008). ... 56
Figura 52 – Batimetria dos fundos e montagem do modelo físico com o penhasco de dimensões 1.17 × 1.67 m (Vicinanza et al., 2008)... 57
Figura 53 – Modelo físico do SSG testado com dimensões 0.471 × 0.179 m (Vicinanza et al., 2008). ... 58
Figura 54- Matriz de potência do conceito WaveStar (Zancanella, 2016). ... 59
Figura 55 – Ilustração do sistema bottom-fixed heave-buoy array (B-HBA) (Babarit et al., 2012). ... 59
Figura 56- Representação 3D da Wavestar C5-600 KW em operação (esquerda) e modo de proteção contra tempestade (direita) (Marquis et al., 2012). ... 60
Figura 57 - Esquema mecânico 2D do conversor de energia das ondas ALETTONE (a); projeto 3D da sua incorporação num quebramar vertical (b) (Albert et al., 2017). ... 61
Figura 58 – Esquemas alternativos de transmissão entre o oscilador superior e o gerador compreendido por uma
embraiagem unidirecional (a) ou duas embraiagens unidirecionais (Albert et al., 2017). ... 61
Figura 59 – Matriz de recurso com a representação do número médio de ocorrências por estado do mar observadas em 35 anos de séries temporais históricas no ponto de coordenadas “Lon = 28.500 ° W, Lat = 35.625 ° N” (horas/ano) (Albert et al., 2017). ... 62
Figura 60 – Matriz de potência gerada (kW) para o modelo 1-OC (Albert et al., 2017). ... 62
Figura 61 - Matriz de potência gerada (kW) para o modelo 2-OC (Albert et al., 2017). ... 63
Figura 62- Energia gerada [kWh/ano] em função do estado do mar (ondas monocromáticas, 1-OC) (Albert et al., 2017). ... 63
Figura 63 - Energia gerada [kWh/ano] em função do estado do mar (ondas monocromáticas, 2-OC) (Albert et al., 2017). ... 63
Figura 64 - Porto de Leixões (Google Earth). ... 66
Figura 65 - Distribuição dos atraques em cada cais do Porto de Leixões ao longo do ano de 2018 (APDL, 2019). ... 67
Figura 66 – Objetivos do Desenvolvimento Sustentável relacionados com a atuação e atividade da APDL ... 68
Figura 67 – Consumo global de energia ativa da APDL entre 2013 e 2018. ... 69
Figura 68 – Energia consumida por período entre 2007 e 2018 ... 70
Figura 69 - Caracterização da evolução energética sazonal entre 2007 a 2019 nos períodos de ponta e vazio. . 71
Figura 70 - Caracterização da evolução energética sazonal entre 2007 a 2019 nos períodos de ponta e super vazio. ... 72
Figura 71- Consumos energéticos por periodo em percentagem ... 72
Figura 72 – Localização relativa do ponto da boia de Leixões (ponto L), do ponto de cálculo do modelo de reconstituição WAM (ponto W), ambos ao largo de Leixões, e do ponto local, P (LNEC, 2017) ... 75
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 - Indicadores de desempenho dos portos em percentagem em relação ao ambiente (adaptado de (ESPO,
2019). ... 6
Tabela 2 - Estimativa de redução de CO2 com implementação de sistemas de energias renováveis (Acciaro et al., 2014). ... 18
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). ... 32
Tabela 4 - Potência média mensal e anual das ondas em cada ponto de referência, (Vicinanza et al., 2013). ... 36
Tabela 5 - Classes de potência e estado do mar equivalente medidos na boía ondógrafo Alghero. ... 37
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). ... 39
Tabela 7 – Principais parâmetros dos recursos da onda (Carballo et al., 2013). ... 41
Tabela 8 – Registo da boia de Valência entre 2000 e 2005 (Fonte: www.puertos.es). ... 47
Tabela 9 – Registo ponto SIMAR 2081113 entre 2000 e 2005 (Fonte: www.puertos.es). ... 47
Tabela 10 - Critérios de seleção de WEC para o Porto de Valência. ... 48
Tabela 11 – Principais características dos WEC selecionados (Oliveira-Pinto et al., 2019). ... 51
Tabela 12 - Matriz de potência para o dispositivo piloto SSG desenvolvido para a ilha de Kvitsøy, com um recurso médio estimado em 19 kW/m (Margheritini et al., 2009). ... 57
Tabela 13 - Matriz de Potência da WaveStar C5 600 kW com 20 boias flutuantes (Marquis et al., 2010). ... 60
Tabela 14- Número de atraques no Porto de Leixões por tipo de embarcação em 2017 e 2018 (APDL, 2019). ... 66
Tabela 15 - Energia consumida no período de entrega de energia. ... 70
Tabela 16- Variação em percentagem dos consumos de energia por período. ... 72
Tabela 17 - Localização e profundidade dos pontos de análise (LNEC, 2017). ... 74
Tabela 18 – Frequência de ocorrência de cada estado de mar no Ponto P (LNEC, 2017). ... 75
Tabela 19 – Potência associada a cada estado do mar (combinação de Hmo com Te) em kW/m de frente de onda (J) no Ponto P ... 75
Tabela 20 – Energia média anual associada a cada estado do mar (combinação de Hmo com Te) em kW/m de frente de onda (E) no Ponto P. ... 76
Tabela 21 – Clima de agitação marítima (horas/ano). ... 78
Tabela 22 – Energia anual média absorvida (kWh/m) ... 80
Tabela 23 - Matriz de potência referente ao dispositivo SSG ... 81
Tabela 24 – Largura de captura relativa (%) do dispositivo SSG para a faixa costeira situado na Galiza admitindo um comprimento de 500 m. ... 81
Tabela 25 – Energia anual absorvida pelo dispositivo SSG (kWh) ... 82
Tabela 26 - Matriz de potência referente ao dispositivo SSG para a ilha de Kvitsøy, Noruega. ... 83
Tabela 27 – Largura de captura relativa (%) do dispositivo SSG para a ilha de Kvitsøy, Noruega. ... 83
Tabela 28 - Energia anual absorvida pelo dispositivo (kWh) para um fator de escala de 1.3. ... 84
Tabela 29 – Energia anual absorvida pelo dispositivo (kWh) para um fator de escala de 1.33. ... 84
Tabela 30 - Matriz de potência referente ao dispositivo Wavestar C5. ... 85
Tabela 31 – Largura de captura relativa (%) do dispositivo WaveStar C5. ... 85
Tabela 32 – Energia anual absorvida pelo dispositivo WaveStar original (kWh). ... 86
Tabela 33 – Energia anual absorvida pelo dispositivo (kWh) para um fator de escala de 1.3. ... 87
Tabela 34 - Matriz de potência referente ao dispositivo B-HBA. ... 87
Tabela 36 - Energia anual absorvida pelo dispositivo B-HBA (kWh) para um fator de escala de 1.3. ... 88
Tabela 37 - Energia anual absorvida pelo dispositivo B-HBA (kWh) para um fator de escala de 1.39. ... 88
Tabela 38 - Matriz de potência referente ao dispositivo ALETTONE modelo 1-OC (kW) ... 89
Tabela 39 – Largura de captura relativa (%) do dispositivo ALETTONE modelo 1-OC. ... 89
Tabela 40 - Energia anual absorvida pelo dispositivo ALETONNE modelo 1-OC (kWh) para um fator de escala de 1.0. ... 90
Tabela 41 – Energia anual absorvida pelo dispositivo ALETONNE modelo 1-OC (kWh) para um fator de escala de 1.3. ... 90
Tabela 42 - Matriz de potência do dispositivo ALETTONE (kW), modelo 2-OC ... 91
Tabela 43- Largura de Captura Relativa (%) do dispositivo ALETTONE, modelo 2-OC ... 91
Tabela 44 - Energia anual absorvida pelo dispositivo ALETONNE modelo 2-OC (kWh) para um fator de escala de 1.3. ... 91
Tabela 45 – Energia capturada pelos vários conversores: total (kWh) e por metro de desenvolvimento (kWh/m). ... 92
SÍMBOLOS, ACRÓNIMOS E ABREVIATURAS
B – Dimensão característica do dispositivo ºC – Temperatura graus Celsius
CO2 – Dióxido de Carbono NOX – Número de Oxidação SO2 – Dióxido de Enxofre PM – Promécio
Hmo – Altura de onda Significativa [m] Tm – Período Médio [s]
Өm – Direção Média da onda g – Aceleração Gravítica [m/s2] jn - Diagrama de dispersão Te – Período de Energia [s]
J média – Potência média das ondas [kW/m] J max – Potência máxima da onda [kW/m] P – Potência
TP – Período de Pico [s]
ρ – Massa volúmica da água do mar [kg/m3] Lat - Latitude
Lon - Longitude Ton - toneladas ha - hectares
AAU - Aalborg University
APDL - Administração dos Portos do Douro, Leixões e Viana do Castelo APSS - Administração dos Portos de Setúbal e Sesimbra
B-HBA - Bottom-fixed heave-buoy array
Bref-HB - Small Bottom-referenced heaving buoy Bref-SHB – Bottom-referenced submerged heave-buoy BS 6349 - Normas Britânicas Instituição 1984
CE - Energia Capturada
CEEff - Eficiência Energética Capturada CW – Largura Capturada
CWR - Largura Capturada Relativa
CTA - Terminal de Contentores de Altenwerder DOF - Graus de liberdade
ECMWF - Centro Europeu de Previsões Meteorológicas de Médio Alcance ENEL - Autoridade Nacional de Energia Elétrica
EWP - Eco Wave Power
F-HBA - Floating heave-buoy array
F-2HB - Floating Two-body heaving converter F-3OF - Floating three-body oscillating flap device F-OWC - Floating oscillating water column
GEE - Gases de Efeito de Estufa GNL - Gás Natural Liquefeito
GPA - Autoridade Portuária de Génova IWN - Italian Wave Network
JONSWAP - Joint North Sea Wave Project LED - Light Emitting Diode
LIMPET - Land Installed Marine Powered Energy Transformer LMM - Módulos Móveis Laterias
LNEC - Laboratório Nacional de Engenharia Civil NCS – Plataforma Continental Norueguesa NORA10 - Norwegian Reanalysis 10 km NW - Noroeste
OBREC - Overtopping Breakwater for the Energy Conversion ODS - Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
O&G - Oil & Gas OI - Outono/Inverno
O&M - Operação e Manutenção OPS - Onshore Power Supply PV - Primavera Verão
PTO - Power Take-Off
RSC - Responsabilidade Social Cooperativa
RON - Rede Nacional de Monitoramento de Ondas SSG – Sea-wave slot-cone Generator
SWAN - Simulating Waves Nearshore TCL - Terminal de Contentores de Leixões TEU - Twenty-foot Equivalent Unit
TGCL - Terminal de Carga Geral e Granéis de Leixões VOC - Composto Orgânico Volátil
WAB - Wave Activated Bodies WAM - Modelo de Hindcast WEC - Wave Energy Converter ZHL - Zero Hidrográfico Local
E
NQUADRAMENTO E
O
BJETIVOS
ENQUADRAMENTO
Com o atual desenvolvimento económico verifica-se uma procura e um consumo crescente de eletricidade, admitindo-se que em 2040 seja 30% superior relativamente ao ano de 2010 (López et al., 2013).
Os combustíveis fósseis são a principal fonte de energia primária no mundo que, por ser finita, originará problemas de sustentabilidade num futuro próximo, justificando a procura de novas alternativas energéticas mais duradouras. Ora, esta problemática, aliada às crescentes preocupações ambientais que se fazem sentir no mundo, tem levado à procura de novas formas de energia renovável que possam constituir uma alternativa ecológica na produção de energia elétrica. De facto, nas últimas décadas, foram feitos progressos no sentido de desenvolver e potenciar as energias renováveis, tais como, a energia solar, a energia eólica e a energia das ondas (López et al., 2013).
Os portos marítimos são caracterizados pela concentração geográfica de atividades de elevada procura e fornecimento de energia, devido à sua proximidade a instalações que fornecem energia e regiões metropolitanas. Representam um papel preponderante na economia mundial e na União Europeia em particular, sendo responsáveis por 74% dos bens importados e exportados de e para o resto do mundo, por 37% do comércio e pelo tráfico marítimo de mais de 3 mil milhões de toneladas de produtos por ano (Rusu et al., 2017).
Sendo os portos um dos principais contribuintes para a economia das regiões onde se inserem, é importante a utilização inteligente das suas infraestruturas de forma a mitigar o impacto adverso que as atividades portuárias também acarretam, como é o caso da poluição que acaba por ter um impacto negativo a que se associa a consumos energéticos elevados inerente às suas atividades (Europeu, 2016). Desta forma, torna-se evidente a necessidade que os portos marítimos manifestam de melhorarem o seu perfil ambiental numa tentativa de promover uma gestão estratégica da disponibilidade energética. Assim, para além de melhorarem a sua eficiência são capazes de reduzir o consumo energético e custos associados. São estas as prioridades-chave na gestão e sustentabilidade, quer a nível europeu quer mundial.
Apesar de alguns portos já possuírem aproveitamento de energia eólica, energia solar e energia geotérmica, estes têm também interesse em aumentar o consumo de energia através de outras alternativas igualmente sustentáveis, como é o caso da energia das ondas, alternativa que possui um
considerável potencial. A investigação nesta área é impulsionada pela necessidade de cumprir objetivos de energia renovável, porém o estado de desenvolvimento ainda é limitado em comparação com as restantes tecnologias de conversão de energia renovável.
Existe já uma grande variedade de dispositivos para o aproveitamento da energia das ondas em diferentes estados de maturidade, porém nem todos são adequados á instalação em quebramares portuários. Os principais conceitos em desenvolvimento são do tipo coluna de água oscilante (CAO), corpos oscilantes (flutuantes ou submersos) e sistemas por galgamento.
Estas tecnologias, para serem incorporadas nessas infraestruturas portuárias ainda precisam de ser otimizadas, ou seja, ainda é necessário maximizar a eficiência destes projetos pilotos que envolvem produção de eletricidade e fiabilidade a longo prazo, sem nunca descurar os impactos (positivos e negativos) que estes dispositivos possam ter nesses quebramares.
A fim de melhorar a competitividade do Porto de Leixões no âmbito da rede mundial de navegação, estão em curso vários projetos a curto e a médio prazo. Estes projetos permitirão melhorar a capacidade do porto para receber navios, desde porta-contentores a navios de cruzeiro, bem como melhorar a sua rede logística. Por outro lado, a extensão do quebramar norte do porto em 300 m, que permitirá receber navios com um calado superior aos atualmente permitidos, cria as condições necessárias à integração de um dispositivo conversor de energia de ondas na estrutura, sendo deste modo possível produzir energia para satisfazer parte das necessidades elétricas do porto. Desta forma, o Porto de Leixões será capaz de fornecer às infraestruturas portuárias eletricidade a partir de uma fonte de energia limpa e renovável, ajudando assim a satisfazer, pelo menos em parte, a sua elevada procura de energia e consequentemente contribuir para o desenvolvimento das energias renováveis.
ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO
Com esta dissertação pretende-se analisar a transição energética nos portos ao nível das suas atividades, bem como promover a implementação de energias renováveis marinhas e de tecnologias de conversão dessa energia, em particular aquelas que é possível inserir em quebramares e consequentemente avaliar o potencial dessas novas soluções.
Para isso, este documento encontra-se dividido em 4 capítulos. Após este 1º capítulo de enquadramento, o 2º capítulo descreve as estratégias para a transição energética em portos, isto é, a caracterização dos seus consumos ou setores, terminais, atividades e fontes de energia, complementado com exemplos ilustrativos. Neste mesmo capítulo são também apresentadas as tendências do setor a nível nacional e mundial, bem como os recursos energéticos renováveis adotados por estes. Por fim, são apresentados alguns exemplos de sistemas de conversão desenvolvidos para instalações portuárias que aproveitam a energia do vento, das marés, do sol e das ondas, dando um foco especial aos dispositivos híbridos de aproveitamento da energia das ondas integrados em quebramares portuários.
No 3º capítulo, após uma breve caracterização do Porto de Leixões, nomeadamente no que concerne ao tipo de navios e de cais, serão desenvolvidas algumas das soluções anteriormente referidas. Este trabalho pressupõe uma caracterização do recurso energia das ondas, referência às tecnologias de conversão da energia das ondas e, posteriormente, a seleção dos dispositivos mais adequados ao porto de Leixões. De seguida é feito o pré-dimensionamento dos dispositivos conversores selecionados e efetuada a avaliação da energia produzida pelos mesmos a partir da sua matriz de potência.
Por fim, o 4º e último capítulo apresenta uma reflexão sobre as principais conclusões que se obtiveram com a realização da presente dissertação e algumas sugestões do que pode ser feito no futuro ainda sobre este tema, mas que não foi abordado nesta dissertação.
E
STRATÉGIAS PARA A
T
RANSIÇÃO
E
NERGÉTICA NOS
P
ORTOS
INTRODUÇÃO
A energia das ondas é uma fonte de energia verde, reconhecida pela comunidade internacional como uma fonte de energia renovável com potencial para contribuir significativamente para o mercado da eletricidade (Vicinanza et al., 2013). A energia marinha é uma fonte de energia previsível e abundante, com capacidade para dar uma contribuição significativa para o consumo de eletricidade do mundo. A exploração do recurso de uma forma economicamente viável dependerá da eficiência e do desempenho alcançados na instalação dos sistemas de conversão de energia das ondas, isto é, dependerá da capacidade de produzir energia para posteriormente satisfazer o porto de Leixões.
CARACTERIZAÇÃO DOS CONSUMOS ENERGÉTICOS EM PORTOS MARÍTIMOS
Os portos caracterizam-se pela concentração de várias atividades que consomem muita energia elétrica. Nas últimas décadas tem havido uma necessidade de compreender e monitorizar essas atividades para que haja um maior conhecimento e, com isso, encontrar soluções que promovam a sustentabilidade dos portos e, consequentemente, a melhoria da gestão e aproveitamento de outras fontes de energia. No entanto, são poucas as autoridades portuárias que, atualmente, têm procurado ativamente estratégias de melhor gestão ambiental e energética. Essa gestão passa por planear, coordenar e facilitar o desenvolvimento das atividades económicas dentro do porto e dar um maior peso à sua sustentabilidade. Para os portos, a eficiência energética constitui atualmente um objetivo de elevada importância e relevância no sentido de que, para além de melhorar o meio ambiente, promove uma poupança de energia considerável.
Assim, os portos têm estado envolvidos em projetos relacionados com a poupança de energia e desenvolvimento das energias renováveis, nomeadamente através da Organização Europeia dos Portos Marítimos (ESPO, 2019). Com o objetivo de aumentar a transparência e a responsabilidade do setor portuário fase às questões ambientais, desde 2016 são elaborados relatórios ambientais de forma a promover e melhorar a interação dos portos europeus. O objetivo destes relatórios é sensibilizar para a proteção ambiental e a partilha e cooperação de conhecimentos entre portos de modo a haver uma melhoria da gestão ambiental, logística e energética. A avaliação baseia-se em indicadores de gestão e de monitorização ambiental, nas áreas prioritárias. A Tabela 1 procura ilustrar a percentagem de portos que aderiram à monitorização ambiental para o cumprimento de um inventário de legislação ambiental.
Nesta tabela é fornecida a informação referente à percentagem de portos que efetuam a monitorização das questões ambientais.
Tabela 1 - Indicadores de desempenho dos portos em percentagem em relação ao ambiente (adaptado de (ESPO, 2019). Indicadores 2013 2016 2017 2018 2019 Diferença 2013-2019 Resíduos 67 79 88 84 79 +12 Consumo de Energia 65 73 80 80 76 +11 Qualidade da água 56 70 75 76 71 +15 Consumo da água 58 62 71 72 68 +10 Qualidade do ar 52 65 69 67 62 +10 Ruido 52 57 64 68 57 +5 Pegada de carbono 48 47 49 47 49 +1
Analisando a Tabela 1, verifica-se que, em 2019, 79% dos portos que fazem o controlo das questões ambientais monitorizou os indicadores de resíduos, seguindo-se os consumos de energia que foi monitorizado em 76% dos portos. Comparando com o ano de 2013 verificou-se que houve um acréscimo de 11% do número de portos que faz o controlo dos consumos de energia.
É possível concluir que a qualidade do ar e o consumo de água são questões ambientais que aumentaram de significado 10%, entre 2013 e 2019.
Devido às mudanças climáticas e à importância que atualmente lhes é dada, nos últimos 2 anos foram inseridos novos indicadores. Em 2018, com base nos 2 anos anteriores, 41% dos portos apresentaram como desafios operacionais futuros, a avaliação de fenómenos relacionados com as alterações climáticas tais como tempestades, inundações e mudanças das condições de vento e ondas. No entanto, em 2019, já 48% dos portos apresentavam esses mesmos desafios, havendo assim um aumento de 7% relativamente ao ano anterior. Pode-se assim concluir que monitorizando as alterações climáticas é possível adquirir dados para posteriormente perceber qual a melhor solução para a transição energética em portos marítimos em termos de energias renováveis disponíveis. A Figura 1 mostra as questões ambientais atuais prioritárias para o setor portuário e para a sua evolução. Desde o ano de 1996 que há um ranking das prioridades dos organismos de gestão dos portos europeus. Atualmente, as prioridades ambientais fazem parte do TOP 10 de preocupações a ter nos portos europeus. Porém, só em 2009 o consumo energético começou a ser uma das preocupações e prioridades dos portos e apenas em 2017 é que as alterações climáticas entraram no TOP 10 deste ranking.
De forma a contribuir para uma navegação mais ecológica, foram criados três indicadores de gestão portuária relacionados com “serviços verdes para os navios”. Estas três categorias são: (a) Onshore Power Supply (OPS), que consiste em substituir a energia gerada a bordo a partir de motores auxiliares a gasóleo, por eletricidade gerada em terra (alta tensão) (Dutt, 2009); (b) a instalação de abastecimento de gás natural liquefeito promovendo o seu transporte e armazenamento (Innovation, 2019); (c) a adoção de taxas portuárias ambientalmente diferenciadas de forma a promover atividades de transporte marítimo ecológicas..
Com estas medidas é possível uma redução significativa dos poluentes atmosféricos locais nomeadamente Dióxido de Enxofre (SO2), Promécio (PM) e composto orgânico volátil (VOC), onde haverá benefícios com a melhoria das condições de trabalho e consequentemente estarão a ser
reutilizadas fontes de energia renovável, para além de uma redução de gases de efeito de estufa. Em números absolutos os portos que oferecem sistemas de OPS aumentaram de 32% em 2016 para mais de 50% em 2019 (ESPO, 2019).
Figura 1 - Top 10 das Prioridades Ambientais dos Portos Europeus nos últimos anos (ESPO, 2019).
ONSHORE POWER SUPPLY (OPS)
A Figura 2 mostra que em 2019 53% dos portos europeus tinham disponível o fornecimento de energia elétrica em um ou mais postos de acostagem. O valor do OPS de alta tensão é mais relevante para as embarcações comerciais e de alto mar. Deste modo, em 96% dos portos equipados com OPS em 16 %
a eletricidade é fornecida através de instalações móveis. Estima-se que em 2021 e 2022, 29% dos portos possuirão sistemas de OPS.
O porto de Gotemburgo, um dos portos com experiência na utilização do sistema OPS pretende aumentar o número de navios que desligam os seus motores enquanto estão atracados e mudam para o consumo de energia em terra. Com a adoção desta medida, são promovidos ganhos ambientais significativos, entre os quais, a diminuição substancial de emissões de dióxido de carbono e as emissões de dióxido de enxofre e de óxido nítrico [1].
Figura 2 - Fornecimento de Energia Elétrica em Terra (ESPO, 2019).
GÁS NATURAL LIQUEFEITO (GNL)
A Figura 3 mostra que a disponibilização de Gás Natural Liquefeito (GNL) continua a aumentar. Atualmente, um terço dos portos oferecem este serviço aos navios sendo que o GNL é fornecido principalmente por camiões (90%) e por barcaças (20%). Como este indicador só foi incluído em 2019, não há dados de 2016 e 2017 (ESPO, 2019). A eficiência do Gás Natural Liquefeito é aproximadamente 10% superior à do combustível convencional (em termos de energia por quilograma).
Figura 3 – Fornecimento de Gás Natural Liquefeito (ESPO, 2019).
TAXAS PORTUÁRIAS AMBIENTALMENTE DIFERENCIADAS
O impacto ambiental da logística e transporte nos portos ganhou reconhecimento tendo sido necessário desenvolver estratégias ambientais e estratégias de responsabilidade social cooperativa (RSC). Uma das ferramentas essenciais para a execução destas estratégias é a diferenciação de taxas portuárias relacionadas com o impacto ambiental. Atualmente estas taxas são estabelecidas em 56% dos portos, Figura 4.
É de salientar que, à partida, as taxas portuárias constituem uma pequena parte dos custos totais de um porto e numa menor parte o custo total de uma viagem de navio. Deste modo, o objetivo é melhorar e recompensar os portos que contribuam para uma melhoria ambiental.
Deste modo, metade dos portos que aderiram a esta categoria têm como objetivo incentivar a redução das emissões atmosféricas, 45% das quais para incentivar uma melhor gestão dos resíduos e 34% para incentivar a redução das emissões dos gases de efeito de estufa.
A certificação ambiental dos navios é atribuída em 42% dos portos e, para além disso, 28% prevê a introdução de taxas portuárias ambientalmente diferenciadas nos próximos dois anos.
Figura 4 – Otimização de taxas portuárias ambientalmente diferenciadas (ESPO, 2019).
CARACTERIZAÇÃO GERAL DOS CONSUMOS ENERGÉTICOS EM ALGUNS PORTOS
Com o objetivo de perceber de que forma o Porto de Leixões, o Porto de Viana do Castelo e o Porto de Sines se comportam relativamente aos consumos energéticos, a partir da informação que consta nos seus relatórios de sustentabilidade, foram construídos gráficos que mostram o comportamento dos portos ao longo dos anos.
De referir que, nem todos os portos têm a mesma percentagem de movimentação de carga, estando esta interligada com o consumo de eletricidade de cada porto e, consequentemente, com a sua dimensão.
PORTOS DO DOURO,LEIXÕES E VIANA DO CASTELO
O consumo de energia indireta corresponde à eletricidade de média e baixa tensão e o consumo de energia direta corresponde à eletricidade obtida através de combustíveis como o gasóleo, a gasolina, o gás propano e o gás natural. É necessário referir que entre 2008 e 2014 não há discriminação dos consumos do Porto de Leixões e do Porto de Viana do Castelo, mas sim dos consumos da APDL. Deste modo, é apresentado o consumo energético da APDL, do Porto de Leixões e do Porto de Viana do Castelo entre os anos 2008 e 2018 (Figura 5).
A Figura 5 mostra que o gasóleo é o combustível predominantemente utilizado na APDL, porém, em meados de 2015, houve uma inversão da tipologia de energia predominantemente utilizada, sendo atualmente a energia indireta a mais utilizada.
Figura 5 - Consumos Energéticos da APDL entre 2008 e 2018.
Na Figura 6 são apresentados os consumos energéticos dos portos de Leixões e de Viana do Castelo discriminados entre os anos de 2015 e 2018.
Quando comparados com o volume de movimento de carga, Figura 7, é possível observar que enquanto no Porto de Leixões a carga mais movimentada são os graneis líquidos, no porto de Viana do Castelo a carga geral fracionada é a mais movimentada apesar da diminuição acentuada no ano de 2018. Nesse mesmo ano, o consumo energético de Viana do Castelo diminuiu em energia direta, o que faz sentido dada à diminuição de carga movimentada que está diretamente ligada ao consumo de combustível, porém ocorre um aumento do consumo de eletricidade de média e baixa tensão.
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 2008 2010 2012 2014 2016 2018 Con su m o e n ergé tico (G J) Anos Energia direta Total Energia indireta Total Gasóleo Gás Propano Gás Natural
Figura 6- Consumos Energéticos do Porto de Leixões (a) e do Porto de Viana do Castelo (b) entre 2015 e 2018. 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 2015 2016 2017 2018 C on su m o En ergé tico (G J) Anos
(a)
Energia direta Total Energia indireta Total Gasóleo Gás Natural Média Tensão Baixa Tensao 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 2015 2016 2017 2018 Con su m o E n ergé tico (G J) Anos
(b)
Energia direta Total Energia indireta Total Gasóleo Gasolina Gás Natural Média Tensão Baixa Tensao
Figura 7 - Cargas Movimentadas no Porto de Leixões (a) e no Porto de Viana do Castelo (b) entre 2014 e 2018. 0 5000000 10000000 15000000 20000000 25000000 2014 2015 2016 2017 2018 Carga Mo vim en ta d a (to n ) Anos
(a)
Carga Mvimentada TotalCarga Geral Fracionada Carga Contentorizada Carga Ro-Ro Graneis Solidos Graneis Liquidos 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 2014 2015 2016 2017 2018 Cargas Mo vim en ta d as (to n ) Anos
(b)
Carga Movimentada Total Carga Geral Fracionada Carga Contentorizada Carga Ro-Ro Graneis Solidos Graneis LiquidosPORTO DE SINES
Em termos de carga movimentada, em 2017, o Porto de Sines registou uma movimentação de 49.9 milhões de toneladas enquanto o Porto de Leixões registou uma carga movimentada de 939.9 milhões de toneladas.
Deste modo, é de esperar que no porto de Sines o consumo energético seja também menor.
Na Figura 8 são apresentados os dados referentes aos consumos energéticos e à movimentação de cargas do Porto de Sines obtidos através dos respetivos relatórios de sustentabilidade entre 2008 e 2017. Assim, verifica-se um decréscimo do volume de movimentação de cargas entre 2016 e 2017, que está de acordo com o decréscimo do consumo energético nesse mesmo intervalo de tempo. Entre 2014 e 2016 verificou-se uma tendência de aumento no consumo, justificado pelo aumento de movimento de mercadorias.
Figura 8 - Consumos Energéticos do Porto de Sines e respetiva relação com movimentação de mercadorias entre 2008 e 2017.
OS PORTOS E AS ENERGIAS RENOVÁVEIS
A eficiência energética é um tema cada vez relevante para os portos em todo o mundo.
Sendo estes um ponto importante da rede mundial de comércio, há cada vez maior concorrência entre portos a nível mundial de modo a captar novas cargas e melhorar a sua competitividade, sendo por isso necessário melhorar a sua eficiência. Neste capítulo serão apresentados exemplos de medidas estratégicas para alcançarem uma maior eficiência energética. Os portos e em particular os terminais de contentores têm funcionado tradicionalmente com equipamentos a gasóleo, o que por sua vez é uma fonte de poluição atmosférica. Assim, de modo a evitar o uso intensivo deste combustível fóssil, é importante utilizar equipamentos e veículos movidos a eletricidade promovendo assim a automação.
0 10000000 20000000 30000000 40000000 50000000 60000000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Mo vim en ta ção d e M ercad o rias (to n ) Con su m o s En ergé tico s (G J) Anos
Relativamente ao sistema de iluminação, a adoção de iluminação LED permite adotar um sistema de controlo inteligente, isto é, as luzes LED pode ser ligadas/desligadas automaticamente. Esta medida pode ser alargada a sistemas de operação de terminais para limitar a iluminação apenas às áreas onde estão a decorrer operações.
Outra das medidas tem a ver com a adoção de sistemas de gestão e controlo que ajudem a racionalizar a logística do terminal que, para além de aumentar a capacidade de armazenamento, permite reduzir o custo de movimentação de contentores em 5%.
No caso do Porto de Setúbal, por exemplo, a APSS, Administração dos Portos de Setúbal e Sesimbra, tem vindo a efetuar investimentos de forma a procurar uma diminuição do consumo de energia elétrica, tais como:
• Instalação de um sistema de redução progressiva da intensidade da iluminação no período noturno; • Instalação de sensores para iluminação em alguns espaços de uso coletivo;
• Substituição progressiva de lâmpadas incandescentes e de halogéneo por LED; • Substituição progressiva de equipamentos por outros de maior eficiência energética; • Utilização de energia solar (aquecimento e produção de energia fotovoltaica);
• Sensibilização dos colaboradores para poupanças de energia por alteração de comportamentos. A APDL, Administração dos Portos do Douro, Leixões e Viana do Castelo também tem desenvolvido esforços no sentido de reduzir os impactos negativos inerentes às suas atividades. Na área ambiental a APDL tem implementado medidas que visam a monitorização, mitigação e um conjunto de práticas ao nível da qualidade da água e do ar, ruído, resíduos, energia e redução dos impactos ambientais, nomeadamente:
• Colocação de sensores de medição dos poluentes atmosféricos e de ruído na zona portuária; • Procedimento para fiscalização dos navios no porto, quanto à utilização de combustíveis com baixo
teor em enxofre;
• Abastecimento de Gás Natural Liquefeito (GNL) a navios no porto; • Promoção da utilização de veículos elétricos;
• Instalação de ramais de alimentação de energia elétrica a partir da terra (até 250 A, 380V); • Promoção de auditorias energéticas aos edifícios administrativos e certificação energética.
Os concessionários têm também vindo a efetuar investimentos em tecnologias atuais de movimentação de carga. Com recurso a variadores de frequência regenerativos é possível aproveitar o movimento descendente da carga para produção de energia para a rede (Araújo, 2019).
De forma a melhorar a pegada ambiental, os portos estão a dar uma maior atenção às questões energéticas e têm a perceção de que a poupança de energia é possível através de tecnologias inovadoras. Com o objetivo de extrair energia de forma limpa e sustentável, os portos utilizam recursos renováveis de forma a reduzir o consumo de energia através de combustíveis fósseis. Existem várias fontes de energia renovável tais como a solar, a eólica, o gradiente térmico e a energia renovável marinha nomeadamente a energia das marés e a energia das ondas.
As energias marinhas são aproveitadas de forma diferente dependendo principalmente da localização geográfica do porto, pelo que as soluções adotadas dependerão das suas características locais.
De seguida é apresentada uma breve descrição das fontes de energia renováveis nos portos, não apenas as marinhas.
ENERGIA SOLAR
A energia solar é um recurso vasto e inesgotável que pode suprir uma parte significativa do consumo de eletricidade e combater a necessidade global constante de procura crescente. Esta energia tem como vantagens ser abundante e não poluir.
Uma das formas de aproveitamento é através da materialização das micro-redes que são redes de energia locais em escala relativamente pequena. Esta rede oferece diversas vantagens tais como, maior eficiência, custo reduzido, maior resiliência e uma fonte de alimentação controlável e limpa (Molavi et
al., 2020).
Um dos primeiros portos a adotar esta tecnologia foi o de Los Angeles, nos Estados Unidos da América, que investiu mais de 27 milhões de dólares no desenvolvimento de micro-redes e na tecnologia de recursos energéticos limpos. O porto de Los Angeles lançou o projeto de Demonstração do Terminal Green Omni concebido para mostrar como este tipo de soluções sustentáveis e de energia limpa pode revolucionar as operações dos terminais marítimos. Concluído o projeto com êxito estima-se que seja alargado a outros 26 terminais marítimos. A micro-rede irá incorporar uma matriz solar fotovoltaica de 1 MW, um sistema de armazenamento de baterias onshore de 2.6 MWh, e a infraestrutura elétrica associada (McDonnell, 2018).
Um outro exemplo é o porto de San Diego, localizado na Califórnia, Estados Unidos da América, que possui duas instalações de carga marítima: os terminais marítimos Tenth Avenue e o National City. Com o objetivo de reduzir as emissões de gases de efeito de estufa (GEE) no Terminal Marítimo da Tenth Avenue foi implementado um sistema de micro-redes alimentado a energia solar. O projeto inclui a instalação de painéis solares fotovoltaicos, armazenamento de energia através de baterias, um controlador de micro-rede e outras melhorias na infraestrutura para fornecer energia de reserva às instalações operadas pelo porto e apoiar as atividades militares (Molavi et al., 2020).
Para além da instalação de painéis solares este porto tomou medidas tais como a conservação, tratamento e reutilização de água de modo a minimizar os gases de efeito de estufa e conservar este recurso escasso, e promoção de mudanças comportamentais que incentivem a conservação dos recursos. Atendendo a esta medida e com a adoção de um plano de Ação Climática de modo a reduzir as emissões de gases de efeito de estufa, este ano o porto alcançou uma redução de emissões de 10% de gases de efeito de estufa. Depois de 2020, o porto terá de alinhar as metas de longo prazo com as metas estatais de redução de GEE de 40% até 2030 e de 80% até 2050 (Port of San Diego, 2013).
A Figura 9 apresenta as emissões por atividade portuária específica e as fontes ou setores gerais de emissões.
Figura 9- Emissões atuais e projetadas por setor no porto de San Diego (Port of San Diego, 2013)
ENERGIA EÓLICA
Tal como a energia solar, o aproveitamento da energia eólica é uma das tecnologias renováveis com maior potencial para fornecer uma grande parte das necessidades de eletricidade. A produção global de energia eólica atingiu 432 GW em 2015, cerca de 7% do total da energia global. Em 2015, houve um aumento de 63 GW e o investimento total no sector eólico global foi de 109 mil milhões de dólares em 2015 (Council, 2016).
A energia eólica offshore possui inúmeras vantagens tais como ser uma energia renovável, inesgotável e não poluente. O recurso eólico existente no mar é superior quando comparado com o recurso existente em terra, sendo que pode chegar ao dobro quando comparado com recurso eólico médio onshore. Pelo facto de estar localizado em mar aberto, os impactos visuais e acústicos são mais pequenos o que permite a instalação destes parques em superfícies mais extensas. Outra das vantagens é o facto de que, graças à facilidade do transporte marítimo, há pouca limitação relativamente à carga e às dimensões, o que permite que os aerogeradores alcancem potencias unitárias e tamanhos muito maiores do que em terra [2].
A cidade e o porto de Hamburgo, na Alemanha são um exemplo no que diz respeito ao desenvolvimento do aproveitamento da energia eólica estando também envolvidos no desenvolvimento de parque eólicos offshore. A energia eólica é uma das estratégias renováveis da cidade de Hamburgo, tendo sido instalados em 2012, 52.75 MW e 58 turbinas.
A área do porto tem metade da produção eólica da cidade de Hamburgo tendo sido instaladas turbinas Enercon E-126, localizadas na proximidade do terminal Altenwerder com capacidade de 6 MW cada. A autoridade portuária de Hamburgo tem um papel importante na promoção das energias renováveis, não só para o porto, mas para a própria cidade.
A instalação do aproveitamento de energia solar do centro logístico perto do terminal de Contentores de Altenwerder, localizado em Hamburgo produz aproximadamente 500.000 kW/h por ano de energia.
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 1000000 2006 2020 2035 2050 Em is sõ es d e Gas es d e Ef eito d e E stu fa (Mt d e CO2/an o ) Anos Consumo de água
Transporte: fora da estrada (navios, embarcações) Transporte: na estrada Gás Natural
Dentro do porto de Hamburgo, a energia solar térmica também já foi usada, sendo que, a água quente nos escritórios do porto é produzida por um painel solar instalado no telhado que permite uma poupança de 56.000 kW/h todos os anos (Acciaro et al., 2014).
ENERGIA GEOTÉRMICA
Utilizada pela primeira vez em Itália em 1904, a energia geotérmica tem sido uma fonte de energia consistente e em expansão. Esta energia é usada em mais de 20 países sendo os Estados Unidos o maior produtor do mundo [3].
Apesar da geração de energia geotérmica ser caracterizada pelo seu alto custo fixo (inicial) e um custo variável (operacional) relativamente baixo, a eficiência de conversão é de elevada importância.
A Autoridade Portuária de Génova (GPA) desenvolveu um Plano Ambiental para reduzir em 20.000 t as emissões de CO2 por ano com um investimento de 60 milhões de euros na promoção do uso de fontes renováveis.
Na Tabela 2 é possível observar as estimativas de redução de CO2 com a implementação de alguns sistemas de aproveitamento de energia renovável e o respetivo investimento.
Tabela 2 - Estimativa de redução de CO2 com implementação de sistemas de energias renováveis (Acciaro et al.,
2014).
Redução de CO2 (ton) Sistemas Investimento
(milhões de euros)
10.000 Redução de emissões do navio 13
6000 Sistema eólico 20.1
3600 Painéis fotovoltaicos 24.4
100 Painéis solares 0.4
Estimava-se em 2013, com o plano acima referido e com base numa estimativa de emissões de CO2 para esse ano, que até 2020 haveria uma redução de 197000 t.
Dada a sua localização geográfica, o porto de Génova utiliza como principal fonte de energia renovável a energia geotérmica. A geração de eletricidade é realizada através de uma bomba de calor alimentada com água do mar. Esta energia sob a forma de calor pode também ser utilizada de forma direta. Um exemplo deste tipo de instalação já se encontra ativo no terminal ferry (Acciaro et al., 2014).
ENERGIA DAS ONDAS
Na última década, a produção de eletricidade a partir das ondas tem sido estimulada pelo aumento do preço do petróleo e pela ameaça das alterações climáticas. A extração de energia das ondas é um dos grandes desafios da atualidade. Como já foi referido anteriormente, a energia de ondas é abundante, Figura 10, e caso seja bem viável, isto é, o seu objetivo ser bem conseguido na relação custo de instalação/ capacidade de produção de energia, é possível fornecer uma quantidade considerável de energia limpa. Uma das formas de aproveitar a energia das ondas é através de dispositivos conversores de energia das ondas (WEC).
Gunn e Stock-Williams (2012) estimaram a energia das ondas total disponível a nível mundial utilizando o modelo global NOAA WaveWatch III. Este modelo numérico permite estimar os estados de mar a
partir de informação providenciadas por boias ou satélites, que caracterizam pontualmente as condições marítimas. Este estudo concluiu que o recurso global disponível é de 2.11 ± 0.05 TW.
Figura 10 – Potência das ondas disponível em comparação com o consumo energético dos continentes (Gunn et
al., 2012).
De acordo com a Figura 10, na América do Norte e na Ásia, a energia das ondas não permite satisfazer as necessidades de consumo de eletricidade comparando com os restantes continentes. Em Portugal, estima-se que a potência total disponível seja de 15 GW, e a extraível de 0,49 GW, resultando assim numa eficiência de 3,2 %. Daqui conclui-se que a energia das ondas pode ser determinante no que se refere à estratégia energética mundial, sendo que em alguns locais, utilizando apenas a energia das ondas é possível satisfazer as necessidades de consumo de energia (Gunn et al., 2012).
Em comparação com outros recursos renováveis, como a energia solar e a energia eólica, a energia das ondas é mais fiável devido à sua densidade (2-3 kW/m2) ser maior que o vento (0,4-0,6 kW/m2) e solar (0,1-0,2 kW/m2) (López et al., 2013).
Outros dos benefícios são os seguintes:
• As ondas podem percorrer grandes distâncias com pouca perda de energia. Por exemplo, as tempestades com origem no lado ocidental do Oceano Atlântico irão viajar para a costa ocidental da Europa com pouca perda de energia;
• A sua previsibilidade é muito superior à do vento;
• Há uma boa correlação entre recurso e procura, uma vez que cerca de 37% da população do mundo vive a 90 km da costa.
Porém, é necessário o desenvolvimento de tecnologias que permitam a captura desta energia e a respetiva transformação.
Uma forma de melhorar a eficiência e reduzir os custos dos dispositivos que convertem a energia das ondas é integrá-los noutras estruturas marítimas nomeadamente os quebramares. A integração de um dispositivo WEC em quebramares ou outras estruturas marítimas está cada vez mais a ser investigado em especial em estruturas junto à costa. O principal motivo é a viabilidade económica, isto é, inserido num quebramar os custos relativamente à construção, manutenção e operação são partilhados.
De seguida são enumerados os benefícios potenciais que a integração de um dispositivo de conversão de energia das ondas numa estrutura portuária pode ter:
• Possibilita a extração de energia;
• Limita o impacto ambiental negativo usando o quebramar como plataforma para integração do dispositivo de extração de energia de ondas;
• Melhora a fiabilidade do dispositivo, permitindo que a extração de energia ocorra, mesmo durante condições adversas;
• Melhora a vida útil do dispositivo, isto é, dispositivos como as turbinas podem ser colocadas na parte posterior da estrutura fixa do quebramar, longe da área de ação das ondas.
Apesar de todos os benefícios potenciais associados a este tipo de solução de aproveitamento da energia das ondas, é necessário considerar diversos desafios. Para operar com a maior eficiência e rendimento possível, é necessário que o dispositivo seja colocado de frente para a direção das ondas. Embora as condições adversas das ondas ocorram excecionalmente é necessário ter em consideração a resistência estrutural do quebramar não esquecendo que esta é partilhada com o dispositivo nele inserido.
Os dispositivos de conversão de energia das ondas podem dividir-se em três grandes grupos tal como apresentado na Figura 11 (Pecher et al., 2017):
• Coluna de Água Oscilante; • Corpos Oscilantes;
• Galgamento.
Estes dispositivos podem ainda ser divididos de acordo com a sua localização: offshore, nearshore e alguns onshore. Apesar da energia das ondas disponível offshore ser superior àquela disponível onshore, os dispositivos onshore e nearshore possuem custos construtivos menores e uma maior facilidade de ligação à rede e de manutenção.
O processo mecânico de extração de energia das ondas requer uma interface móvel envolvendo (i) um corpo móvel parcial ou totalmente submerso e (ii) uma interface móvel água-ar sujeito a uma pressão variável no tempo.
Figura 11 - Grupos de conversores de energia de ondas (adaptado de Pecher e Kofoed (2017)).
Coluna de Água Oscilante (CAO)
Em relação ao último caso, este dispositivo denominado Coluna de Água Oscilante (CAO), possui uma estrutura oca fixa ou oscilante, aberta para o mar abaixo da superfície da água que retém o ar acima da superfície livre interna. A ação das ondas comprime e descomprime alternadamente o ar aprisionado, o que força o ar a fluir através de uma turbina. Posteriormente, esta turbina movimenta um gerador, produzindo assim eletricidade (Falcão et al., 2016).
De forma a tirar o maior proveito do fluxo de ar bidimensional utilizam-se turbinas Wells pois giram sempre no mesmo sentido, independentemente do sentido do fluxo de ar (a ser admitido ou expelido na câmara), evitando assim o sistema de válvulas de retenção que se revela um sistema bastante dispendioso, Figura 12.
Figura 12- Conceito de Coluna de Água Oscilante (Mustapa et al., 2017)
Aplicação no Porto de Mutriku
O porto de Mutriku está situado no Golfo da Biscaia, no País Basco. Devido às fortes tempestades que ocorrem frequentemente na costa Norte Espanhola e às condições precárias para a entrada no porto com apenas 20 m de largura, ocorreram vários acidentes. De forma a evitar a ocorrência de mais incidentes, o Governo Basco analisou várias alternativas de forma a melhorar o acesso ao porto. Em 2004 foi aprovada a construção de um quebramar destacado (Cabral, 2018).
Foi estudada a possibilidade de aproveitar o trabalho de construção para introduzir um dispositivo de aproveitamento de energia das ondas, sem interferir com o projeto do quebramar, visto que já se encontram em estado avançado de construção. A definição do dispositivo só ocorreria com a condição de que o layout do quebramar não sofresse demasiadas alterações.
Analisando as condições locais de agitação e as tecnologias existentes conclui-se que a coluna de água oscilante (CAO) seria a solução mais adequada. O estudo desta opção mostrou ser viável, Figura 13 (Torre-Enciso et al., 2009).
A partir de dados da agitação marítima ao largo, verificou-se que entre o verão e o inverno havia uma variabilidade sazonal considerável. Os fluxos de energia obtidos para a costa de Mutriku, a 30 m de profundidade foram os seguintes:
• Fluxo de energia médio no Inverno: 18 kW/m; • Fluxo de energia médio no Verão: 4.8 kW/m;
• Fluxo de energia médio nos períodos de transição: 8.8 kW/m.
