Gonçalo Palma Ferreira Mota
Licenciado em Energias Renováveis e Ambiente
Avaliação da adequabilidade de conversores de
energia das ondas ao caso português
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia das Energias Renováveis
Orientador: Doutor Ventim Neves, FCT/UNL
Co-orientador: Doutor Nuno Amaro, Centro de
Investigação em Energia REN – State Grid, S.A.
Júri:
Presidente: Doutor Rui Manuel Leitão Santos Tavares
Arguente: Doutor Rui Miguel Amaral Lopes
Vogal: Doutor Nuno Manuel Ortega Amaro
Setembro 2019
i Avaliação da adequabilidade dos conversores da energia das ondas ao caso de Portugal Copyright © Gonçalo Mota, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa.
A Faculdade de Ciências e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa têm o direito, perpétuo e sem limites geográficos, de arquivar e publicar esta dissertação através de exemplares
impressos reproduzidos em papel ou de forma digital, ou por qualquer outro meio conhecido ou que venha a ser inventado, e de a divulgar através de repositórios científicos e de admitir a sua cópia e distribuição com objetivos educacionais ou de investigação, não comerciais, desde que seja dado crédito ao autor e editor.
iii
Agradecimentos
Quero desta forma agradecer ao meu co-orientador Doutor Nuno Amaro e ao meu orientador Doutor Mário Ventim pela oportunidade de realização desta dissertação, assim como a sua disponibilidade e apoio sem o qual a mesma não teria sido realizada.
Quero agradecer a todos os meus amigos que fiz ao longo dos anos pelo apoio, pelas conversas que tornaram a jornada até aqui menos penosa.
Um agradecimento muito especial à minha família pela compreensão, paciência que permitiram o meu percurso académico até aqui, sem a qual percurso não seria possível.
v
Abstract
The search to find in nature resources that allow to obtain alternative energy sources has led the scientific community to become more and more interested in the hypothesis of taking advantage of energy of waves. Although this type of exploration is not new it is little known.
This dissertation aims to contribute to the studies related to the evaluation of the adequacy of the Portuguese case, more specifically the Pilot Zone of S. Pedro de Moel, as a source of renewable energy, by analyzing the suitability of multiple wave energy converters in the area in question. In the first phase this work describes the main types of converters and their operating principle, also characterizing the Pilot Zone.
In a second phase the followed methodology is presented. This methodology starts with wave data produced from the Nazaré station.
The parameters that allowed us to quantify the energy produced were the significant wave height and the period, so that the annual, monthly, daily, seasonal and hourly energies could be calculated for the various converters.
In order to calculate the produced energy, the various selected technologies have been considered. The calculations were performed in Microsoft Excel environment.
vii
Resumo
A procura para encontrar na natureza recursos que permitam obter fontes de energia alternativas conduziu a comunidade científica a interessar-se pela hipótese de tirar partido da vantagem da energia das ondas. Apesar deste tipo não ser novo, é pouco conhecido.
Esta dissertação visa contribuir para os estudos relacionados com a avaliação da adequabilidade do caso português, mais especificamente, na Zona Piloto de S. Pedro de Moel, como fonte de energia renovável, ao analisar a adequabilidade de múltiplos conversores da energia das ondas na área em questão.
Numa primeira fase este trabalho descreve os principais tipos de conversores e os seus princípios de funcionamento, caracterizando-se também a Zona Piloto.
Numa segunda fase, a seguinte metodologia é apresentada. Esta metodologia utiliza dados de ondas produzidos na estação da Nazaré.
Os parâmetros que nos permitem quantificar a energia produzida foram a altura significativa e o período, de modo que as energias anuais, mensais, sazonais, diárias e horárias puderam ser calculadas para os vários conversores.
Para calcular a energia produzida, as várias tecnologias escolhidas foram consideradas. Os cálculos foram realizados em ambiente Microsoft Excel.
ix
Índice
1. Introdução ... 1 1.1. Motivação ... 1 1.2. Objetivos ... 2 1.3. Estrutura da dissertação ... 22. Revisão do estado da arte ... 3
2.1. Geração e desenvolvimento de ondas ... 3
2.2. Teoria Linear das ondas ... 4
2.3. Classificação dos conversores da energia das ondas ... 6
2.3.1. Quanto à localização ... 7
2.3.2. Quanto ao princípio de funcionamento ... 8
2.4. Localização vs conceito ... 12
2.5. Sistemas Power Take-off (PTO) dos CEOs ... 13
2.5.1. Turbinas de ar ... 13
2.5.2. PTOs hidráulicos ... 14
2.5.3. Turbinas hídricas ... 15
2.5.4. Sistemas de acionamento elétrico direto ... 15
2.6. Conversores ... 16 2.6.1. LIMPET ... 16 2.6.2. Ceto ... 18 2.6.3. Oyster ... 19 2.6.4. WaveRoller... 21 2.6.5. Wave Dragon... 23
2.6.6. Archimedes Wave Swing ... 26
2.6.7. Pelamis ... 29
2.6.8. Aquabuoy ... 32
2.7. Estado de Maturação da tecnologia existente e impactes ambientais ... 34
2.8. Projetos e/ou locais de testes de CEOs ... 37
2.9. Metodologias existentes ... 40
3. Metodologia proposta ... 43
3.1. Seleção do local ... 44
3.2. Seleção dos conversores ... 45
3.3. Recolha de dados ... 45
3.4. Avaliação do potencial energético da localização escolhida ... 48
3.5. Avaliação da adequabilidade dos conversores ... 48
x
4.1. Potência Média ... 53
4.3. Geração Mensal de Energia ... 56
4.4. Energia Gerada Sazonalmente ... 59
4.5. Energia Gerada Anualmente ... 60
4.6. Fator de capacidade ... 60
4.7. Produtividade energética anual ... 61
4.8. Desvio padrão relativo ... 62
4.9. Horas Parado ... 63
4.9.1. Horas parado por excesso de energia ... 63
4.9.2. Horas parado por falta de energia ... 64
4.9.3. Horas parado análise global ... 65
4.10. Energia Anual vs horas parado ... 66
5. Conclusão ... 69
xi
Lista de Figuras
Figura 2.1 - Comparação dos diferentes tipos de ondas. (Adaptado Pecher & Kofoed, 2016) ... 4
Figura 2.2 - Representação esquemática de uma onda sinusoidal. (Adaptado Bueche, 1983) ... 5
Figura 2.3 - Localização dos conversores da energia das ondas. (Adaptado Titah-Benbouzid & Mohamed Benbouzid, 2014) ... 7
Figura 2.4 - Representação de um ponto absorvedor. (Aquaret, 2018) ... 8
Figura 2.5 - Dispositivo submerso de diferença de pressão. (Aquaret, 2018) ... 9
Figura 2.6 - Coluna de água oscilante (CAO). (Aquaret, 2018)... 10
Figura 2.7 - Dispositivo de galgamento. (Aquaret, 2018) ... 10
Figura 2.8 - Representação de um atenuador. (Aquaret, 2018) ... 11
Figura 2.9 - Representação de um COTO. (Aquaret, 2018) ... 12
Figura 2.10 - Localização vs conceito dos conversores. (Adaptado Titah-Benbouzid & Mohamed Benbouzid, 2014) ... 12
Figura 2.11 - Turbinas: a) Turbina Wells, b) Turbina Denniss-Auld, c) Turbina de impulso (Erseclan & Kukner, 2014) ... 14
Figura 2.12 - Exemplo de um PTO hidráulico. (Titah-Benbouzid & Mohamed Benbouzid, 2014) ... 14
Figura 2.13 - Exemplo de um gerador linear. (Czech & Bauer, 2012) ... 15
Figura 2.14 - Princípio de operação de uma turbina Wells. (Adaptado Cruz, 2008) ... 17
Figura 2.15 - LIMPET. (Richter, 2011) ... 17
Figura 2.16 - Esquema de funcionamento do Ceto. (Adaptado Bald, et al., 2010) ... 18
Figura 2.17 - Central onshore do Oyster. (Cameron et al, 2010) ... 20
Figura 2.18 - Esquema e funcionamento do conversor Oyster. (Adpatado Karimirad, 2014) .... 21
Figura 2.19 - Dispositivo Oyster. (Cameron, et al., 2010) ... 21
Figura 2.20 - Esquema de funcionamento do conversor WaveRoller. (Adaptado Karimirad, 2014) ... 23
Figura 2.21 - Representação esquemática do um sistema WaveRoller. (Adaptado Cameron, et al., 2010)... 23
Figura 2.22 - Dimensões do Wave Dragon de 7000 kW. (Cruz, 2008) ... 24
Figura 2. 23 - Dispositivo Wave Dragon (Christensen, et al., 2006) ... 24
Figura 2.24 - Princípio de funcionamento do Wave Dragon. (Christensen, et al., 2006) ... 25
Figura 2.25 - Matriz de potência do Wave Dragon de 5900 kW. (Adaptado Carbon Trust, 2005) ... 26
Figura 2.26 - Princípio de funcionamento do AWS. (Cruz, 2008)... 27
Figura 2.27 - A seção de quatro polos do gerador linear de íman-magnetos permanentes. (Cruz, 2008) ... 27
Figura 2. 28 - Matriz de potência do AWS. (Adaptado Carbon Trust, 2005) ... 28
Figura 2.29 - Pelamis. (Características do sistema Pelamis para energia das ondas, 2018) ... 30
Figura 2.30 - Esquema simplificado do PTO do Pelamis. (Adpatado Henderson, 2006) ... 30
Figura 2.31 - Detalhe do MCP do Pelamis. (Adaptado Henderson, 2006) ... 31
Figura 2.32 - Matriz de potência do Pelamis. (Adaptado Carbon Trust, 2005) ... 31
Figura 2.33 - Matriz de potência do Aquabuoy. (Adaptado Silva et al., 2013) ... 33
Figura 2.34 - Esquema Aquabuoy. (Adaptado TechCrunch, 2018) ... 33
Figura 2.35 - Projetos e/ou locais de testes de CEOs. (Pecher & Kofoed, 2016) ... 37
Figura 2.36 - Infraestruturas de aproveitamento da energia das ondas em Portugal. (Adaptado Soares, 2016) ... 39
Figura 3.1 - Metodologia empregue ... 43
Figura 3.2 - Delimitação da Zona Piloto e os seus três corredores. (Vários, 2012) ... 44
Figura 3.3 - Website MARETEC. (Maretec Operational Homepage, 2018) ... 46
Figura 4.1 – Potência média ... 53
Figura 4.2 - Série temporal Aquabuoy ... 54
xii
Figura 4.4 - Série temporal WD ... 55
Figura 4.5 - Série temporal Pelamis ... 55
Figura 4.6 – Energia gerada dias típicos ... 56
Figura 4.7 - Geração mensal de energia Pelamis ... 57
Figura 4.8 - Geração mensal de energia WD ... 57
Figura 4.9 - Geração mensal de energia AWS ... 58
Figura 4.10 - Geração mensal de energia Aquabuoy ... 58
Figura 4.11 - Média da geração sazonal dos quatro anos ... 59
Figura 4.12 – Energia gerada anualmente ... 60
Figura 4.13 - Fator de capacidade ... 61
Figura 4.14 - Aproveitamento energético anual ... 62
Figura 4.15 - Desvio padrão relativo ... 62
Figura 4.16 - Horas parado por excesso de energia ... 63
Figura 4.17 - Horas parado por falta de energia ... 64
Figura 4.18 - Horas parado análise global ... 65
Figura 4.19 - Energia anual vs horas parado para o Aquabuoy~ ... 66
Figura 4.20 - Energia anual vs horas parado para o AWS ... 67
Figura 4.21 - Energia anual vs horas parado para o Pelamis ... 67
xiii
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 - Estado de maturação das diversas tecnologias existentes. (Adaptado Poullikkas,
2014) ... 34
Tabela 2.2 - Construção e Instalação. (Cruz & Sarmento, 2004) ... 35
Tabela 2.3 - Operação e manutenção. (Cruz & Sarmento, 2004)... 35
Tabela 2.4 - Desmantelamento. (Cruz & Sarmento, 2004) ... 37
Tabela 3.1 - Características dos corredores e coordenadas. (Adaptado Vários, 2012) ... 45
Tabela 3.2 - Parâmetros medidos pela estação meteorológica da Nazaré. (Adaptado Maretec Operational Homepage, 2018) ... 46
Tabela 3.3 - Data frame da estação da Nazaré: primeiros seis valores ... 47
xv
Lista de Acrónimos
AMETS – Atlantic Marine Energy Test Site AWS – Archimedes Wave Swing
BIMEP – Biscay Marine Energy Platform CAO – Coluna de água oscilante
CEO – Conversor da energia das ondas
COTO – Conversor oscilante de translação de ondas CSV – Comma Separeted Value
DL – Decreto Lei DP – Desvio padrão
DPR – Desvio padrão relativo EGA – Energia gerada anualmente EGDT – Energia gerada dias típicos EGS – Energia gerada sazonalmente EMEC – European Marine Energy Centre FC – Fator de capacidade
GME – Geração mensal de energia HP – Horas parado
KPI – Key performance indicator
LIMPET – Land Installed Marine Powered Energy Transformer MA – Média aritmética
MPC – Módulo de Conversão de Potência PEA – Produtividade energética anual PM – Potência média
PTO – Power Take-off
SEM-REV – Experimental Test Site for Wave Energy Converters (acrónimo em francês) TDM – Time Domain Model
WD – Wave Dragon WR – WaveRoller WWIII – WaveWatch III ZP – Zona Piloto
xvii
Lista de Símbolos
˚ – grau € – Euro A – Amplitude c – Celeridade Eanual – Energia anual Ediária – Energia diária f – Frequência g – Aceleração da gravidade H – Altura Hs – Altura significativa Hz – Hertz k – Número de onda km – Quilómetro km2 – Quilómetro quadrado kW – Quilowatt m – Metro M – Milhões MW - Megawatt P – Potência P0 – Potência nula Pn – Potência nominal s – Segundo T – Período TW – Terawatt V - Voltxi – Valor i do conjunto de dados δt – Intervalo de tempo
λ – Comprimento de onda ρ – Densidade da água ω – Frequência angular
1
1. Introdução
A tomada de consciência de que as alterações climáticas estão a aumentar com uma velocidade e agressividade preocupantes, tem levado a um crescente interesse em aprofundar os conhecimentos e até criar novos conceitos na área das tecnologias das energias renováveis como medida de substituição dos combustíveis fósseis na produção de energia elétrica, sabida que é a sua nefasta influência no presente contexto.
Além do aproveitamento das energias solar, eólica e hídrica com tecnologias já maduras, em muitas partes do mundo com graus de eficácia comprovados, surge com algum atraso a perspetiva de olhar para os oceanos como uma fonte a explorar.
A ideia de gerar energia a partir das ondas não é nova e de facto a primeira patente para a exploração da mesma é datada de 1799 (Polinder & Scuotto, 2005). A crise de petróleo na década de 70 do século passado, levou a um aumento do interesse neste tipo de energia (fontes renováveis oceânicas), embora muitos não a considerassem uma alternativa viável, que se apresenta em quatro vertentes diferentes, a geotérmica, das marés, das correntes oceânicas e das ondas, sendo estas duas últimas as mais atraentes comercialmente. Existe aproximadamente 8000-80000 TWh/ano ou 1-10 TW de potência nos oceanos e a energia das ondas fornece 15-20 vezes mais energia disponível por metro quadrado do que a energia solar ou eólica (Muetz & Vinning, 2006).
Com este trabalho pretende-se sintetizar os métodos mais utilizados para explorar esta energia, os seus princípios básicos de funcionamento, descrever os equipamentos que existem até ao momento nas várias fases de desenvolvimento e verificar a adequabilidade de diversos equipamentos a uma localização na costa portuguesa.
1.1. Motivação
O aumento do consumo de energia elétrica em todo o mundo, tem como consequência ser necessário a exploração de novas fontes de energia. Atualmente as energias renováveis consistem em energia hídrica, eólica, solar, biomassa e geotérmica, existindo adicionalmente (embora numa fase muito precoce) a energia dos oceanos que por sua vez ainda se subdivide como atrás referido.
Portugal é um país privilegiado em termos de costa, podendo tirar partido disso através da extração da energia das ondas. No entanto este tipo de energia ainda se encontra pouco desenvolvida e divulgada, sendo que um dos principais fatores para isto acontecer é o elevado custo dos conversores, que por sua vez se faz refletir no preço da energia elétrica assim produzida.
No presente contexto, este trabalho pretende contribuir para clarificar a temática da conversão de energia elétrica a partir das ondas do mar.
2
1.2. Objetivos
Este trabalho foi realizado no âmbito das energias renováveis, em concreto na produção de energia elétrica a partir das ondas do mar. O principal objetivo deste trabalho é avaliar a adequabilidade dos conversores da energia das ondas ao caso português. Para tal foi realizada uma análise de alguns conversores da energia das ondas (CEOs) assim como a quantificação da produção de energia elétrica através dos mesmos, tendo em conta as características físicas da costa portuguesa.
Para além da avaliação da adequabilidade atrás referida, este trabalho pretende: • Divulgar a energia das ondas;
• O aproveitamento do recurso ondas na vasta costa portuguesa.
1.3. Estrutura da dissertação
Esta dissertação é constituída por 5 capítulos que são sucintamente descritos a seguir.
No capítulo 1, introdução, indica-se a motivação que levou à escolha desta temática para a dissertação, e apresentam-se os objetivos que se pretendem alcançar com a mesma.
No capítulo 2, estado da arte, procede-se à explicação dos parâmetros teóricos das ondas, assim como a revisão bibliográfica do estado da arte dos conversores da energia das ondas e seus tipos de classificação. Tem-se em conta o estado de maturação das tecnologias existentes assim como impactes ambientais que lhe estão associados. Também se fará uma breve descrição dos locais de implantação de CEOs na Europa
No capítulo 3, metodologia, faz-se uma descrição da seleção dos conversores e local de implantação dos mesmos, assim como o processo utilizado para o cálculo e obtenção de todas as grandezas a serem estudadas no âmbito desta dissertação.
No capítulo 4, resultados e discussão, são apresentados e discutidos os resultados que se obtiveram após ter sido utilizada a metodologia atrás referida.
Finalmente no capítulo 5, conclusão, apresentam-se as conclusões finais deste estudo assim como trabalho futuro a ser feito nesta área.
3
2. Revisão do estado da arte
2.1.
Geração e desenvolvimento de ondas
Regra geral, as ondas podem considerar-se oscilações da superfície da água que ocorrem em diversos corpos de água tais como rios, lagos, mares e oceanos. As ondas deslocam-se ao longo de uma superfície separada por dois meios, o meio hídrico e o meio atmosférico, para além de serem superficiais, as mesmas são também progressivas (Glossário RGCI, O, Ondas Marinhas, 2017). Um dos pressupostos para as ondas ocorrerem é a existência de um estado de equilíbrio inicial, sendo que o mesmo é afetado por uma perturbação inicial e posteriormente compensado por uma força de restauro.
Existem vários fenómenos que induzem as ondas marinhas, tais como ventos locais, oscilações sísmicas da Terra durante os terramotos/sismos, gradientes de pressão atmosférica e atração gravítica da Terra, Lua e Sol. Regra geral, este tipo de força é compensada pela gravidade, no entanto, a tensão superficial contribui de uma forma bastante significativa nas ondas capilares (descritas mais adiante), por outro lado perturbações mais longas como as geradas por atrações gravíticas (descritas mais adiante) são restauradas principalmente por forças de Coriolis (Toffoli, 2017).
As ondas marinhas, com menores períodos, são denominadas de ondas capilares. Este tipo de ondas é regra geral provocada por pequenas brisas com velocidades de cerca de 3 m/s e a sua estrutura tem o aspeto de pequenas ondulações com comprimentos de onda menores que 1,5 cm e períodos inferiores a 0,1 s (Toffoli, 2017).
A dinâmica das ondas capilares deve-se principalmente à tensão superficial da água. À medida que as ondas crescem devido à ação do vento, evoluem de uma pequena ondulação para ondas maiores.
Devido ao facto de o vento soprar através de um fetch (que será descrito mais adiante) bastante significativo, faz com que o seu comprimento de onda se torne superior ao valor limite de 1,7 cm. À medida que o comprimento de onda cresce acima de 1,5 m (o período torna-se maior que 1 s), a tensão superficial pode-se desprezar e a gravidade torna-se na força de restauro.
Com base no atrás descrito, este tipo de ondas, são classificadas como gravíticas. Regra geral, as ondas gravíticas possuem períodos de 1-25 s. Devido ao efeito do vento local é gerado um elevado número de componentes das ondas tais como diferentes períodos, diversas direções, propagações e fases (Toffoli, 2017). O campo de ondas (do mar) resultante dos fatores atrás descritos, geram um padrão irregular denominado vento de mar.
A combinação de uma variedade de diferentes perturbações e forças de restauro podem criar ondas na superfície dos oceanos. As ondas que podem ser aproveitadas pelos CEOs são regra geral geradas pelo vento. Em termos gerais as ondas geradas pelo vento, começam por ser pequenas ondulações, que vão aumentando progressivamente de tamanho devido à ação do vento (Pecher & Kofoed, 2016). Desde que o vento continue a soprar, as ondas atingem um limite máximo, a partir do qual não cresce mais, devido ao facto de existirem
4 perdas, tais como o equilíbrio da entrada de energia do vento, o que vai ter como consequência as ondas se tornarem totalmente desenvolvidas.
Se um mar está ou não desenvolvido (em termos de ondas), dependerá tanto da velocidade do vento, como também da distância, ou “fetch” que consiste na distância em milhares de quilómetros onde se mantém a direção do vento que criou as ondas. Todavia, como o vento sopra em geral com velocidades variáveis (rajadas) e com direções não homogéneas, as ondas resultantes não são uniformes, verificando-se uma variabilidade nas suas características e nas suas direções, tendo como consequência o estabelecimento de um campo de ondas.
Por outro lado, quando o vento para de soprar, as ondas continuarão a existir e podem percorrer grandes distâncias praticamente sem perdas de energia. A figura 2.1 ilustra a comparação entre os vários tipos de ondas.
Figura 2.1 - Comparação dos diferentes tipos de ondas. (Adaptado Pecher & Kofoed, 2016)
2.2.
Teoria Linear das ondas
Neste subcapítulo apresenta-se uma abordagem teórica acerca das ondas e seus parâmetros. Estes parâmetros são muito importantes para o estudo do potencial da energia das ondas e consequente conversão em energia elétrica. As ondas marítimas podem ser consideradas ondas sinusoidais, transversais e bidimensionais que se propagam num meio homogéneo. Ondas transversais são ondas que tem a sua propagação perpendicular ao movimento, bidimensional aquela que se move num único plano.
Tipicamente, as ondas sinusoidais apresentam mínimos (cavas) e máximos (cristas) simétricos sendo relevantes para o seu estudo os seguintes parâmetros: altura (H), amplitude (A), comprimento de onda (λ), período (T) e frequência (f).A altura da onda corresponde à distância vertical entre a crista (máximo) e a cava (mínimo) (Pecher & Kofoed, 2016). A amplitude é definida como metade da altura. Esta distância representa o deslocamento máximo do movimento oscilatório da superfície vertical, para cima ou para baixo do nível médio. Comprimento de onda (λ) é a distância horizontal entre duas cristas ou duas cavas. Período (T) é o
5 tempo decorrido para a passagem de duas cristas, ou duas cavas através de um ponto fixo. A frequência corresponde ao máximo de vibrações executadas pela partícula por unidade de tempo (segundo). Como a onda em causa é transversal deve considerar-se um sistema de coordenadas cartesianas (x,y) em que a abcissa (x) define a propagação da onda e a ordenada (y) define a direção da perturbação. A figura 2.2 apresenta o esquema anteriormente descrito.
Figura 2.2 - Representação esquemática de uma onda sinusoidal. (Adaptado Bueche, 1983)
A seguinte expressão descreve a frequência (f) (Raymond et al., 2014).
f =1
𝑇 (2.1)
A frequência possui como unidades hertz (Hz) e o período tem como unidade o segundo (s) A partir da expressão 2.1 pode-se deduzir a frequência angular (ω) (Raymond et al., 2014).
ω = 2π ∗ f (2.2)
Sendo que a frequência angular (ω) se exprime em rad/s
Através da relação entre as expressões (2.1) e (2.2) obtêm-se a expressão (2.3) (Raymond et al., 2014).
ω = 2π ∗ 𝑇1 (2.3)
O número de onda (k) obtém-se a partir da seguinte expressão (Raymond et al., 2014):
6 Possuindo o número de onda (k) a unidade m-1 e o comprimento de onda (λ) a unidade m.
A partir das equações (2.1), (2.2), (2.3) e (2.4) pode-se definir a velocidade de propagação da onda, ou a celeridade (Raymond et al, 2014):
c = λ ∗ f = 𝜆
𝑇⟺ c = ω
𝑘 (2.5)
Sendo que a celeridade (c) vem expressa em m/s.
Os estados do mar podem ser descritos através do conceito de “Onda característica”, ou seja, ondas regulares especificadas de acordo com uma fração das ondas mais altas. As formas de energia extraída são (Wu & Viola, 2017):
• Energia cinética - As moléculas de água de uma onda movem-se continuamente em órbitas circulares produzindo energia cinética.
• Energia potencial - As moléculas de água de uma única onda são levantadas acima da superfície livre, e possuem energia potencial.
A equação (2.6) representa uma estimativa da energia das ondas em águas profundas, quando a profundidade é maior que metade do comprimento de onda (Wu & Viola, 2017).
P = 𝜌. 𝑔2 64 𝜋 ∗ 𝐻𝑠
2∗ T
e (2.6)
Sendo que esta grandeza se exprime em kW por m de frente de onda, sendo que ρ corresponde à massa volúmica da água que tem o valor 1000 kg/m3 (Muetz & Vining, 2006), g representa a aceleração da gravidade que tem o valor de 9,81 m/s2, H
s representa a altura significativa, que consiste na média das ondas mais altas de um terço das ondas (Young, 1999) que vem expressa em m, e Te representa o período, expresso em s.
2.3.
Classificação dos conversores da energia
das ondas
Em contraste com a maioria dos outros recursos energéticos, a variedade de conceitos para os dispositivos da energia das ondas é bastante grande, sendo considerados quatro tipos de classificação (Czech & Bauer, 2012). Neste trabalho iremos analisar três deles:
• Localização (conforme a figura 2.3) • Princípio de funcionamento • Tipo de Power Take-off (PTO)
7
2.3.1.
Quanto à localização
2.3.1.1. Onshore (em terra)
Estes dispositivos são colocados na costa, por cima do mar (em águas rasas), em quebra-mares ou fixados nas escarpas. A principal vantagem destes conversores é a fácil acessibilidade da sua localização, o que facilita os trabalhos de instalação e manutenção (Titah-Benbouzid & Mohamed Benbouzid, 2014), sendo que o principal óbice é o facto de as ondas na costa possuírem menos energia devido à sua interação com o fundo do mar.
Também não necessitam de amarrações e não exigem longos comprimentos de cabos submarinos para ligar o conversor da energia das ondas (CEO) à rede elétrica, sendo, no entanto, de considerar a falta de terrenos perfeitamente adequados à sua instalação e surgimento de problemas ambientais motivados pela intervenção na costa (Czech & Bauer, 2012).
Figura 2.3 - Localização dos conversores da energia das ondas. (Adaptado Titah-Benbouzid & Mohamed Benbouzid, 2014)
2.3.1.2. Nearshore (na costa perto de terra)
Os conversores nearshore são instalados a algumas centenas de metros da costa, onde as condições de águas rasas ainda são satisfeitas, a profundidades moderadas (10-25 m) (Titah-Benbouzid & Mohamed Benbouzid, 2014). Regra geral são fixos no fundo mar para conseguirem captar a maioria da energia que as ondas possuem e para evitar amarrações (Czech & Bauer, 2012).
A estrutura deve apresentar robustez suficiente para aguentar a carga das ondas que lhe passam por cima. Em termos de quantidade de extração de energia provou-se que as diferenças entre as localizações offshore e nearshore não são significativas, variando apenas entre 10-20% (Whittaker, et al., 2012)
2.3.1.3. Offshore (ao largo)
Os conversores offshore são flutuantes ou submersos em águas profundas (>25m), amarrados ao fundo do mar e bastante afastados da costa. Devido à sua localização podem explorar o grande potencial de ondas em mar aberto antes da dissipação da energia ocorrer. A sobrevivência destes dispositivos representa um grande problema, pois a sua estrutura tem que suportar elevadas cargas, pelo que a confiabilidade da sua construção
8 é essencial. Só por si a manutenção é um processo complicado e caro, assim como a necessidade da utilização de longos cabos para transportar a energia gerada para a rede (Titah-Benbouzid & Mohamed Benbouzid, 2014). Apesar disso estes CEOs representem a classe mais promissora destes dispositivos (Czech & Bauer, 2012)uma vez que o clima de ondas é mais energético na situação offshore.
2.3.2.
Quanto ao princípio de funcionamento
A variedade das soluções tecnológicas para o aproveitamento da energia das ondas do mar é bastante grande, agrupando-se em seis principais “famílias” de conversores, sendo elas: os ponto absorvedores, dispositivos submersos de diferença de pressão, coluna de água oscilante, dispositivos de galgamento, atenuadores e conversor oscilante de translação de ondas.
2.3.2.1. Ponto Absorvedores
Os Ponto Absorvedores são dispositivos oscilantes, offshore tanto flutuantes como submersos muito perto da superfície da água, tendo uma pequena dimensão horizontal comparada com o comprimento de onda típico (Amir et al., 2016), geralmente apresentam forma cilíndrica e movem-se de cima para baixo (Lagoun, et al, 2010). Este sistema absorve a energia das ondas de todas as direções, através de movimentos na/perto da superfície da água onde utiliza a força de ascensão e queda da altura da onda num único ponto (point absorting) (Aquaret, 2018) para a conversão da energia das ondas.
A característica da absorção pontual é a capacidade de absorção de energia de uma área de mar muito superior às dimensões do próprio dispositivo. Os Ponto Absorvedores são particularmente eficientes em zonas com regimes de ondas de maior potência em águas profundas. Exemplos comuns desta categoria são o Ceto (Lagoun, et al, 2010), e o Aquabuoy (Aquaret, 2018) que serão descritos em detalhe numa fase posterior. A figura 2.4 representa um ponto absorvedor.
9
2.3.2.2. Dispositivo submerso de diferença de pressão
Este tipo de CEO encontra-se normalmente instalados nearshore ou offshore, sendo compostos por duas partes principais: uma câmara cilíndrica com ar fixada no fundo do mar, e um cilindro móvel na parte superior da mesma (Drew et al., 2009). Quando a crista da onda passa pelo dispositivo, a pressão que a água exerce comprime o ar dentro do cilindro movendo-o de cima para baixo. Quando a onda se afasta essa pressão sobre o dispositivo diminui e então o cilindro sobe. A pressão alternada pode bombear um fluido pelo sistema gerando assim energia elétrica (Lagoun, et al, 2010). Uma vantagem deste dispositivo é que ao encontrar-se totalmente submerso não é exposto às forças de batida da água, sentidas pelos dispositivos flutuantes, sendo que o seu impacto visual é praticamente nulo (Drew et al., 2009). Esta categoria de dispositivos quando concebida adequadamente para o estado do mar onde vai operar pode apresentar características significativas de absorção pontual (point absorving) (Aquaret, 2018) um exemplo disso é o Archimedes Wave Swing (AWS) (Aquaret, 2018), que será descrito em detalhe posteriormente. A figura 2.5 representa um dispositivo submerso de diferença de pressão.Figura 2.5 - Dispositivo submerso de diferença de pressão. (Aquaret, 2018)
2.3.2.3. Coluna de água oscilante (CAO)
O sistema CAO consiste numa estrutura oca parcialmente submersa com uma abertura para o mar abaixo da superfície da água (Aquaret, 2018), o que cria uma câmara de ar no topo da coluna de água. O movimento de entrada e saída de ondas no dispositivo provoca a subida e a descida de água na coluna, funcionando o sistema como um pistão comprimindo e descomprimindo o ar da câmara (Lagoun, et al., 2010). Este ar preso flui para a atmosfera por meio de uma turbina Wells de baixa pressão que consegue girar sempre na mesma direção independentemente da direção do fluxo de ar (Drew, et al., 2009). É exatamente a rotação da turbina que gera energia elétrica. Como exemplo de CAOs temos o LIMPET (Aquaret, 2018) que é onshore cuja descrição se apresentará posteriormente. A figura 2.6 representa uma coluna de água oscilante (CAO).
10
Figura 2.6 - Coluna de água oscilante (CAO). (Aquaret, 2018)
2.3.2.4. Dispositivo de galgamento
Os dispositivos de galgamento são constituídos por uma rampa que é galgada pelas ondas que depois entram num reservatório de armazenamento colocado acima do nível médio do mar (Aquaret, 2008). As ondas que entram no reservatório criam uma altura de queda, que depois é devolvida ao mar através de turbinas convencionais de baixa queda colocadas no fundo (Lagoun, et al., 2010). Estes dispositivos em vez de usarem a energia cinética das ondas para gerar energia como outros CEOs, capturam as próprias ondas e aproveitam a energia potencial que elas transportam (Amir et al., 2016). Normalmente estas estruturas são também equipadas com um coletor para concentrar a energia recolhida. Os dispositivos podem ser flutuantes, como o Wave Dragon (Aquaret, 2018) que será descrito mais adiante, ou fixos. A figura 2.7 representa um dispositivo de galgamento.
11
2.3.2.5. Atenuador
Um atenuador é um dispositivo flutuante que opera paralelamente à direção da onda (Lagoun et al., 2010). O dispositivo flutua efetivamente sobre as ondas e capta a energia quando as ondas o atravessam, devido ao movimento progressivo que estas provocam ao longo do seu comprimento (Aquaret, 2008). O melhor exemplo deste tipo de conversores é o Pelamis (Aquaret, 2018), que será descrito em detalhe posteriormente. A figura 2.8 representa um atenuador.
Figura 2.8 - Representação de um atenuador. (Aquaret, 2018)
2.3.2.6. Conversor oscilante de translação de ondas
(COTO)
Este tipo de conversor quanto à sua localização é nearshore, sendo essencialmente constituído por um braço que flutua e se encontra posicionado perpendicularmente à direção das ondas, funcionando como um pendulo invertido (Amir et al., 2016), montado numa junta articulada que reage ao movimento da água das ondas, movendo-se para trás e para a frente (Drew, et al., 2009). Os COTOs geram a energia a partir do movimento das partículas de água e da translação das mesmas (Amir et al., 2016). Exemplos comuns desta categoria são o WaveRoller e o Oyster (Aquaret, 2018). A figura 2.9 representa um conversor oscilante de translação de ondas.
12
Figura 2.9 - Representação de um COTO. (Aquaret, 2018)
2.4.
Localização vs conceito
A figura 2.10 sintetiza os principais conversores da energia das ondas em termos de localização e de princípio de funcionamento conforme foi descrito nas secções 2.4.1 e 2.4.2. De notar que em 2009 existiam mais de 1000 patentes registadas de CEOs (Titah-Benbouzid & Mohamed Benbouzid, 2014) variando quer no conceito quer no design, pelo que neste trabalho apenas se apresentarão os modelos considerados mais relevantes tendo em conta o seu estado de desenvolvimento e informação presente na literatura.
Figura 2.10 - Localização vs conceito dos conversores. (Adaptado Titah-Benbouzid & Mohamed Benbouzid, 2014)
Legenda: A – Atenuador, PA – Ponto Absorvedor, COTO – Conversor Oscilante de Translação de ondas, CAO – Coluna de Água Oscilante, G – Galgamento, DP – Diferença de Pressão.
13
2.5.
Sistemas Power Take-off (PTO) dos CEOs
O Power Take-off (PTO) de um CEO é o mecanismo a partir do qual a energia absorvida pelo conversor é transformada em energia elétrica, e tem grande importância por afetar a eficiência da energia das ondas absorvida que é convertida em energia elétrica, mas também está relacionado com a dinâmica estrutural do próprio CEO, sua massa e tamanho.
Existem cinco categorias de PTOs (Pecher & Kofoed, 2016) que são: as turbinas de ar, PTOs hidráulicos, turbinas de água, sistemas de acionamento mecânico direto e sistemas de acionamento elétrico direto. Cada um destes PTOs está fortemente relacionado especificamente com cada tipo de conversor, porém, iremos apenas focarmo-nos em quatro por serem os mais comumente utlizados neste tipo de dispositivos, seguindo-se a sua descrição.
2.5.1.
Turbinas de ar
Este sistema PTO consiste numa turbina de ar de fluxo axial auto-retificada, que tem a capacidade de operar sem necessidade de um sistema de válvulas retificadoras, aceitando um fluxo de ar bi-dimensonal enquanto roda sempre na mesma direção.
A turbina é localizada num duto ligando a câmara à atmosfera exterior. Os principais tipos de turbinas auto-retificadas são (Pecher & Kofoed, 2016):
• Turbinas Wells • Turbinas de impulso • Turbinas Denniss-Auld
A turbina Wells foi a primeira e a mais simples das turbinas auto-retificadas a ser desenvolvida e consiste num rotor simétrico composto por várias lâminas com perfil em aerofólio, posicionadas em torno de um ponto central com o seu plano de cordas alinhado com o eixo de rotação (Pecher & Kofoed, 2016).
A turbina Wells é possivelmente a opção mais económica (Czech & Bauer, 2012) para a conversão da energia das ondas, porém, uma desvantagem que apresenta é que não entra em funcionamento automaticamente, o rotor tem que ser inicialmente acelerado por uma fonte de energia externa (Czech & Bauer, 2012).
As turbinas de impulso são auto-ajustáveis, controladas com pás de guia, organizadas em dois conjuntos, cada um deles colocado em cada lado do rotor. Estas pás de guia são articuladas e podem girar livremente entre dois ângulos que são determinados pela configuração mecânica, e cuja função é redirecionar o fluxo de ar no sentido de transferir diretamente a sua energia cinética para as lâminas do rotor.
Ao comparar as turbinas Wells com as turbinas de impulso, conclui-se que as últimas têm um melhor intervalo de eficiência que as Wells, mas também acontece que estas, quando se considera o seu ponto de operação ótimo possuem uma eficiência maior (Czech & Bauer, 2012).
14 As turbinas Denniss-Auld são auto-retificadas e apresentam uma configuração semelhante às turbinas Wells, mas as suas lâminas em aerofólio rodam em torno da sua posição natural para alcançar o ângulo ótimo do fluxo incidente. A rotação das lâminas é controlada através da pressão na câmara (Pecher & Kofoed, 2016). A figura 2.11 mostra as diferenças entre os vários tipos de turbinas atrás descritas
Figura 2.11 - Turbinas: a) Turbina Wells, b) Turbina Denniss-Auld, c) Turbina de impulso (Erseclan & Kukner, 2014)
2.5.2.
PTOs hidráulicos
Também é possível converter os movimentos das ondas do mar em energia elétrica com a ajuda de sistemas hidráulicos que conseguem lidar com grandes forças a velocidades lentas e são geralmente pequenos e leves (Czech & Bauer, 2012). No entanto, o circuito da energia é geralmente invertido em relação ao sistema hidráulico tradicional. O movimento do CEO provocado pelas ondas alimenta energia a um motor hidráulico que por sua vez aciona um gerador elétrico. Este tipo de PTO é utilizado por alguns ponto absorvedores e atenuadores (Pecher & Kofoed, 2016).
Ao integrar acumuladores hidráulicos de gás no sistema, o PTO conseguirá armazenar as cargas de pico absorvidas e suavizar a conversão da energia das ondas do CEO, isto porque há que contar com a variabilidade do recurso energético. Estes sistemas hidráulicos são compostos por muitas partes móveis, por isso suscetíveis de sofrer avarias sempre complicadas de resolver em equipamentos offshore como é o caso dos CEOs em que esta tecnologia é aplicada (Pecher & Kofoed, 2016). A figura 2.12 mostra a título de exemplo um PTO hidráulico.
15
2.5.3.
Turbinas hídricas
As turbinas hídricas acopladas a geradores funcionam como PTOs nos CEOs para gerar energia elétrica, e podem dividir-se em dois grupos, as de impulso e as de reação (Erselcan & Kukner, 2014).
As turbinas de impulso convertem a energia cinética da água em energia mecânica. A pressão é convertida em velocidade quando a água passa pelos bocais, o fluxo de água a alta velocidade é então direcionado para as lâminas. A turbina gira devido à transferência de energia cinética da água para a turbina. O tipo mais comum deste grupo de turbinas é o Pelton. Este tipo de turbina é usado por exemplo no Oyster e no Aquabuoy (Erselcan & Kukner, 2014).
As turbinas de reação beneficiam da mudança de pressão enquanto a água flui nas lâminas do rotor, que promove trabalho nas mesmas e faz a turbina rodar/girar. Os tipos mais comuns de turbinas de reação, são a Francis e a Kaplan. As turbinas Francis são geralmente usadas em aplicações onde a altura de queda é elevada, não sendo apropriadas para os CEOs.
As turbinas Kaplan por outro lado, podem extrair energia a baixas alturas de queda, sendo mais adequadas para os CEOs. Os dispositivos de galgamento como é o caso do Wave Dragon e o Sea Wave Slot-Cone Generator usam turbinas Kaplan para gerar energia elétrica (Erselcan & Kukner, 2014).
As turbinas hídricas conseguem operar em valores de eficiência que excedem os 90% (Pecher & Kofoed, 2016), e não necessitam de muitos cuidados de manutenção.
2.5.4.
Sistemas de acionamento elétrico direto
Outro tipo de PTO é o sistema de acionamento elétrico direto, que consiste num gerador linear de magnetos permanentes. Este tipo de gerador possui um estator e um translator, que converte o movimento de translação do CEO em energia elétrica. Este tipo de gerador é acoplado diretamente ao flutuador do CEO sem uma interface, como acontece no caso das turbinas e nos sistemas hidráulicos. Exemplos de conversores que utilizam este gerador são o Archimedes Wave Swing (AWS) e o conversor da energia das ondas desenvolvido pela Universidade de Uppsala (Erselcan & Kukner, 2014). A figura 2.13 mostra um exemplo de um gerador linear usado nos CEOs.
16
2.6.
Conversores
Nesta secção procede-se à descrição de vários conversores que foram selecionados atendendo à quantidade de informação disponível na literatura e estado de desenvolvimento. Foi tido em conta um conversor onshore, três nearshore e quatro offshore sendo estes últimos o foco deste trabalho.
2.6.1.
LIMPET
O LIMPET (Land Installed Marine Powered Energy Transformer) é um conversor da energia das ondas onshore, que foi desenvolvido pela empresa WaveGen encontrando-se instalado na ilha escocesa de Islay, cujo princípio de funcionamento é o do sistema CAO e o seu PTO consiste em turbinas de ar (Poullikkas, 2014).
Este dispositivo é constituído por duas turbinas Wells contra-rotativas, sendo que cada uma se encontra acoplada a um gerador de 250 kW, obtendo-se assim uma potência máxima de 500 kW. Cada turbina Wells possui 7 lâminas de 2,6 m de diâmetro com seção simétrica de perfil aerodinâmico. As lâminas estão aparafusadas através de um anel de contenção (que suporta as cargas centrífugas) numa placa, que por sua vez encaixa diretamente no eixo do gerador (que está escondido debaixo de uma estrutura cilíndrica) (Whittaker et al., 2002).
O princípio de operação da turbina Wells pode ser descrito com referência à figura 2.14. O plano de rotação da turbina é perpendicular ao fluxo de ar no duto da turbina. O movimento para a frente da lâmina combinado com o fluxo de ar perpendicular significa que em relação à lâmina existe um ângulo de ataque de ar em relação ao plano das lâminas da turbina. Este ângulo de ataque pode variar entre 0 (quando a turbina está a rodar, mas não existe fluxo de ar no duto) e 90° (quando existe fluxo de ar no duto mas a turbina está estacionária) (Cruz, 2008). Todos os perfis aerodinâmicos geram sustentação a 90° do ângulo de ataque e, como se vê na figura 2.14. A sustentação tem uma componente na mesma direção que a rotação da turbina.
Os conjuntos turbina/gerador encontram-se montados em lados opostos ao fluxo de ar para fornecer um sistema de turbina contra-rotativo. Cada gerador, tem no seu duto, em extremidades opostas, uma turbina e um volante de inercia. Cada módulo de turbo-geração encontra-se montado numa estrutura de aço. Cada um dos geradores é acionado por um inversor para que possa tirar vantagem de um grande sistema de inercia (Falcão et al., 1994).
O princípio de funcionamento do LIMPET baseia-se no sistema CAO, como descrito na seção 2.4.2.3. O sistema CAO deste dispositivo encontra-se inclinado 40° em relação à horizontal, que possui duas vantagens face ao sistema CAO horizontal:
• A coluna inclinada e o lábio frontal de diâmetro reduzido, reduzem a turbulência de entrada e o espalhamento em salpicos de água na câmara. (Whittaker, et al., 1995)
17 A massa de água arrastada determina a seção transversal da câmara o que por sua vez implica a ressonância da coluna de água que pode ser acoplada ao período predominante das ondas incidentes. O quebra ondas no coletor reduz a quantidade de água que o galga. Um aumento horizontal no topo da parede traseira inclinada da coluna é uma medida de segurança para reduzir a probabilidade de entrada de água no duto da turbina. A estrutura foi projetada para suportar uma pressão de onda frontal de 6 bar em toda a largura dos 21 m do dispositivo, ou um pico interno de 1 bar de pressão.
A média anual da energia incidente das ondas é estimada em 17,9 kW/m e a capacidade instalada de 500 kW com uma utilização de 40% dão uma potência média de saída de 200 kW (Whittaker, et al., 1997b).
O LIMPET tem ligação à rede elétrica nacional escocesa desde 2000, por via de um transformador de 400V/11000V (Whittaker et al., 2002). O estado de maturação tecnológica do LIMPET é o de comercial (Poullikkas, 2014). A figura 2.15 mostra-nos este conversor.
Figura 2.14 - Princípio de operação de uma turbina Wells. (Adaptado Cruz, 2008)
18
2.6.2.
Ceto
A empresa Carnegie Wave Energy desenvolveu uma tecnologia designada Ceto, cuja pesquisa se iniciou em 1999. O primeiro protótipo foi desenvolvido em 2006, seguindo-se o desenvolvimento do Ceto 2 em 2008, e mais tarde o Ceto 3, que possuía uma potência nominal de 80 kW. A partir de 2011, a Carnegie instalou uma série de três dispositivos na Garden Island (Austrália), sendo que a ligação à rede elétrica ocorreu em 2015 (De Chowdhury, et al., 2015). A próxima geração deste dispositivo que será o Ceto 6 que possuí uma potência de saída de 3 MW (De Chowdhury, et al., 2015). O conversor Ceto pertence à categoria dos ponto absorvedores, quanto à localização é nearshore e utiliza um PTO hidráulico.
O Ceto possui os seguintes componentes (Karimirad, 2014):
• Atuador flutuante: consiste numa boia submersa a poucos metros abaixo da superfície da água. Devido à ação das ondas, a boia move-se para cima e para baixo. A boia é simétrica, pelo que a direção da onda não afeta o desempenho do conceito.
• Cabo: O cabo conecta-se à boia numa extremidade e à bomba no fim da outra extremidade. A energia capturada pela boia é transferida para a bomba usando o cabo. A flexibilidade do cabo limita a transferência das cargas indesejadas para o sistema.
• Bomba: A bomba é o sistema PTO deste conceito, converte a energia das ondas em pressão hidráulica e bombeia água do mar para a costa através de tubagens.
• Fundação: O tipo de fundação pode ser rebocada ou perfurada. A fundação amarra a bomba ao fundo do mar.
A figura 2.16 representa um esquema do princípio de funcionamento do Ceto que se distingue dos outros CEOs na medida que este conversor não produz energia elétrica, mas sim fluído pressurizado.
19 As boias submersas ligam-se a bombas que são amarradas ao fundo do mar. À medida que a perturbação da onda passa por cima das boias, as mesmas elevam-se para cima e exercem tensão sobre as amarras que forçam os pistões dentro das bombas a moverem-se para cima, expelindo fluído a alta pressão.
O fluído de alta pressão, usualmente água, é canalizado para um coletor, situado na costa. A água pressurizada é usada para acionar uma turbina diretamente para a produção de energia elétrica ou para a produção de água dessalinizada, ou uma combinação das duas coisas. Depois de turbinada a água retorna ao mar por um circuito de baixa pressão (Schiller & Brassintion, 2011). A conversão de energia hidráulica em elétrica ocorre em terra numa central padrão – através de turbinas Pelton, ou similares, de alta queda acopladas a geradores elétricos. Devido ao facto de o Ceto ser totalmente submerso, é menos propenso a danos em relação aos dispositivos flutuantes. Dispositivos que sejam totalmente submersos em estados normais de mar, como por exemplo o Ceto, não conseguem aceder totalmente ao fluxo de energia das ondas, como os dispositivos de superfície. A principal desvantagem é a baixa eficiência de captura de energia. As principais vantagens são a sua simplicidade e os baixos custos de manutenção (Schiller & Brassintion, 2011). O Ceto pode ser implementado a várias centenas de metros da costa, de modo que os comprimentos das tubagens são tipicamente maiores do que por exemplo as tubagens do Oyster, que opera em zonas de ondas mais perto da costa. Os conversores Ceto são projetados para operarem em profundidades de água entre os 25 e os 50 m (Schiller & Brassintion, 2011). O estado de maturação deste conversor é o de protótipo (Poullikkas, 2014)
2.6.3.
Oyster
O Oyster é um conversor oscilante de translação de ondas que possui um sistema PTO de turbinas de impulso (Pelton). Este dispositivo foi desenvolvido pela empresa Aquamarine Power e captura a energia das ondas nearshore e converte-a em energia elétrica (Karimirad, 2014).
O Oyster 1 de primeira geração possuía 315 kW de potência nominal e o dispositivo de segunda geração denominado de Oyster 800 tinha 800 kW de potência nominal (Aquamarine Power : EMEC: European Marine Energy Centre, 2018), opera a profundidades de 10-15 m (Karimirad, 2014), sendo que em muitos locais estas profundidades são relativamente perto da costa.
O sistema é composto por uma aba flutuante, de 18 m de largura e 10 m de altura (Cameron, et al., 2017) que se encontra semi-submersa, articulada na sua base a uma subestrutura que é presa ao fundo do mar usando âncoras. O Oyster é essencialmente uma central hidroelétrica movida a ondas. A componente de translação das ondas força a aba a oscilar para a frente e para trás, funcionando assim como um pêndulo invertido, conseguindo a mesma mover-se até 180º (𝑅̈uhlicke, 2012), o que por sua vez comprime e estende dois cilindros hidráulicos montados entre a aba e a subestrutura, que bombeiam água a alta pressão através de uma tubagem para onshore, onde se encontra uma central hidroelétrica composta por uma turbina Pelton que aciona um gerador elétrico de velocidade variável. Um circuito fechado é mais atraente económica e
20 tecnicamente do que bombear água do mar, pois assim evitam-se os problemas das filtrações nearshore, corrosão e bio-incrustação (Cameron, et al., 2010).
O fluxo de potência é regulado usando uma combinação de acumuladores de potência, uma válvula de lança ajustável, um volante de inercia na sucessão de potência mecânica e retificação e inversão da saída elétrica (Whittaker, et al., 2007). O movimento da aba depende principalmente da força incidente (ou “torque de onda” para uma oscilação angular) em detrimento da sua própria potência, e a maximização da captura de energia depende de três fatores (Cameron et al., 2010). O primeiro consiste em alargar a aba, amplificando-se assim as forças das ondas que aumentam proporcionalmente à largura ao quadrado. O segundo fator é que a aba tem de ser perfurada na superfície e bloquear a altura total da coluna de água para assegurar que a força da onda gerada é maximizada. Finalmente, para se maximizar o torque das ondas, o ponto de articulação deve estar localizado o mais próximo do fundo do mar tanto quanto possível para aumentar a superfície de trabalho da aba e o momento do braço da dobradiça/articulação relativamente ao centro de pressão. Na figura 2.17 o contentor em primeiro plano abriga a turbina Pelton e o gerador. O contentor por detrás dele abriga os conversores de energia
Figura 2.17 - Central onshore do Oyster. (Cameron et al, 2010)
A central hidroelétrica onshore possui componentes padrão, em que utiliza um gerador de indução de velocidade variável acoplado a um eixo com a turbina Pelton e um volante de inercia (Cameron et al., 2010). A implantação de um determinado número de dispositivos numa matriz serve para suavizar as flutuações de potência verificadas na central. O volante de inercia é a principal fonte de armazenamento na sucessão de potência do Oyster e atua para suavizar significativamente a capacidade necessária do gerador.
Um dos aspetos mais importantes é a operação das válvulas que controlam o fluxo de água de alta pressão sob a turbina Pelton. Este tipo de válvulas possui dois objetivos: manter a pressão operacional média no sistema o mais próximo possível da pressão alvo ideal para o estado de mar e manter a relação entre a velocidade do bico da válvula e o embolo da turbina Pelton próximo da sua velocidade ótima (Cameron et al., 2010). O tempo de resposta das válvulas é rápido para poder controlar as flutuações durante cada ciclo de onda.
21 A regulação final do gerador de velocidade variável à saída é obtida por conversores de potência ou por eletrónica de potência que fornecem inversão e retificação completas, necessárias antes de um transformador step-up fornecer energia à rede. A figura 2.18 representa o princípio de funcionamento deste conversor. Este dispositivo tornou-se o primeiro dispositivo nearshore com ligação à rede elétrica em outubro de 2009 (𝑅̈uhlicke, 2012). O estado de maturação desta tecnologia é o de protótipo (Poullikkas, 2014). A figura 2.19 mostra-nos o aspeto deste tipo de conversor.
Figura 2.18 - Esquema e funcionamento do conversor Oyster. (Adpatado Karimirad, 2014)
Figura 2.19 - Dispositivo Oyster. (Cameron, et al., 2010)
2.6.4.
WaveRoller
O WaveRoller (WR) foi projetado pela empresa AW Energy e é um conversor oscilante de translação de ondas nearshore, que possui um PTO hidráulico, instalado a aproximadamente a 0,3-2 km da costa a profundidades 8-20 m (Karimirad, 2014), onde a potência de translação é mais elevada, o que maximiza a produção de energia. Cada unidade de WR tem uma potência nominal de 0,350 a 1 MW (WaveRoller – AW
22 Energy Oy, 2018). O rendimento varia entre 0,25 e 0,5 dependendo das condições do ambiente no local nearshore (WaveRoller – AW Energy Oy, 2018).
A estrutura deste CEO consiste numa aba totalmente submersa que funciona como um pêndulo invertido, apoiada numa plataforma fixa ao fundo do mar que por sua vez contém no seu interior um sistema hidráulico constituído por uma bomba de pistões que bombeia o fluido hidráulico que vai acionar um gerador. A bomba de pistões movimenta-se em função da oscilação da aba para a frente e para trás. Todos os elementos do sistema hidráulico encontram-se hermeticamente protegidos, evitando assim derrames para o oceano (Karimirad, 2014).
A aba é estendida a partir do fundo do mar até por debaixo da superfície livre da água para limitar a carga e proteger a sua integridade física.
Matrizes de WRs, constituídas por dezenas de dispositivos podem ser instalados num único local para diminuir os custos ao partilharem a mesma infraestrutura. Sendo cada WR equipado com um gerador linear de magnetos permanentes (Franzitta, et al., 2017), então, a saída de vários dispositivos pode ser combinada através de cabos elétricos e uma subestação, o que reduz o custo da energia elétrica produzida na central. O WR é um sistema modular, o que quer dizer que a capacidade instalada na central destes dispositivos é formada pela conexão de vários módulos de produção WR. Cada módulo é formado por 3-5 placas articuladas, associadas num sistema de geração comum. O sistema possui uma boa escalabilidade e não há limite superior tecnológico para a capacidade da central (1 MW Wave energy power plant, 2018). O estado de maturação desta tecnologia é o de protótipo (Poullikkas, 2014).
O conceito funciona baseado num fenómeno físico designado “translação de ondas” que ocorre quando as ondas se aproximam da costa. As ondas em águas profundas (mais profundas que a metade do comprimento de onda) são basicamente partículas de água movendo-se em movimentos circulares, no entanto, em locais nearshore devido à interação com os bancos de areia, algumas partículas de água entram em contacto com o fundo do mar, ganhando o movimento das ondas uma forma horizontalmente elíptica em vez da forma circular em água profundas. As partículas de água são achatadas e esticadas em baixas profundidades, por este facto o movimento horizontal das partículas de água em águas rasas fica amplificado, sendo criada uma forte translação das mesmas, provocando movimentos da aba de trás para a frente (Karimirad, 2014). A figura 2.20 representa o esquema de funcionamento do WR. A figura 2.21 representa um esquema dos vários componentes que constituem este dispositivo.
23
Figura 2.20 - Esquema de funcionamento do conversor WaveRoller. (Adaptado Karimirad, 2014)
Figura 2.21 - Representação esquemática do um sistema WaveRoller. (Adaptado Cameron, et al., 2010)
2.6.5.
Wave Dragon
O Wave Dragon foi desenvolvido pela empresa Wave Dragon ApS (Cruz, 2008), é um CEO flutuante offshore, do tipo galgamento, que tem um PTO de turbinas hídricas, operando a profundidades superiores a 20 m com potência nominal de 4-12 MW e é considerado até agora o de maior dimensão (Cruz, 2008). O estado de maturação da tecnologia deste conversor é o de protótipo (Poullikkas, 2014) e o custo unitário é de cerca de 15 M € para o WD de potência nominal 7000 kW (Rusu & Onea, 2018), sendo que as dimensões do mesmo se podem ver na figura 2.22.
O seu princípio de funcionamento é semelhante ao das barragens hidroelétricas embora tenha algumas diferenças. Consiste em dois braços refletores parabólicos, em aço e/ou betão armado, que se encontram acoplados ao flutuador, uma rampa de galgamento duplamente encurvada, um reservatório de armazenamento e turbinas de baixa queda. O princípio de operação deste tipo de dispositivo consiste em as ondas do mar galgarem a rampa devido ao facto de as mesmas serem concentradas através dos braços refletores, a água após galgar a rampa é armazenada no reservatório e posteriormente turbinada de volta ao
24 mar por via de turbinas de baixa queda gerando assim energia elétrica. A figura 2.23 Ilustra um dispositivo WD num apropriado clima de ondas.
Figura 2.22 - Dimensões do Wave Dragon de 7000 kW. (Cruz, 2008)
Figura 2. 23 - Dispositivo Wave Dragon (Christensen, et al., 2006)
Devido à baixa capacidade de armazenamento e à distribuição estocástica do galgamento das ondas, as turbinas devem ser reguladas em intervalos de 10 s para se conseguir uma boa eficiência de extração de energia. As turbinas hidráulicas do WD, como já referido anteriormente são de baixa queda, do tipo Kaplan e cada WD poderá ter entre 16 a 24 turbinas deste tipo (Cruz, 2008), e em cada turbina encontra-se acoplado
25 um gerador de magnetos permanentes que converte a rotação da turbina em energia elétrica. As turbinas são as únicas partes móveis do WD, o que é uma vantagem dado que as partes móveis são altamente sujeitas a fadiga. O facto de o WD ter poucas partes móveis tem a vantagem de ter baixos custos de manutenção e minimiza os efeitos prejudiciais de possíveis detritos flutuantes no oceano (Karimirad, 2014). A figura 2.24 mostra o princípio de funcionamento do WD.
Figura 2.24 - Princípio de funcionamento do Wave Dragon. (Christensen, et al., 2006)
O desempenho eficiente do nível de descarga ocorre através do uso de 16 a 24 turbinas, como referido anteriormente, sendo estas de pequenas dimensões que se podem ligar e desligar individualmente em vez de um pequeno número de turbinas de grandes dimensões. Para assegurar boas eficiências para diferentes alturas de queda de água, as turbinas acopladas a geradores de magnetos permanentes, funcionam a velocidades variáveis, recorrendo para esse efeito a conversores de eletrónica de potência que controlam a velocidade de rotação dos geradores elétricos.
Os geradores magnetos permanentes são controlados por eletrónica de potência através de conversores AC/DC/AC (Jasinki, et al., 2007). O sistema de amarração usado no WD é em forma de catenária. Uma característica do WD é de este poder regular o seu nível de flutuação, o que pode ser conseguindo injetando ar para dentro das câmaras-de-ar que se encontram abertas para o mar ou expelindo o ar das mesmas. Quanto mais estável estiver a plataforma, mais facilmente o reservatório pode ser cheio, e consequentemente mais energia pode ser gerada (Cruz, 2008). É fundamental o conhecimento das matrizes de potência, que representam uma relação entre o período e a altura significativa das ondas, obtendo-se assim um output de potência elétrica, que corresponde à energia gerada pelos CEOs. A figura 2.25 ilustra a matriz de potência do Wave Dragon de 5900 kW.
26 Figura 2.25 - Matriz de potência do Wave Dragon de 5900 kW. (Adaptado Carbon Trust, 2005)
2.6.6.
Archimedes Wave Swing
O Archimedes Wave Swing (AWS) é um CEO que quanto ao seu modo de funcionamento pertence tanto à categoria dos pontos absorvedores como à dos dispositivos submersos de diferença de pressão, podendo tanto funcionar nearshore como offshore, e o seu PTO consiste num sistema de acionamento elétrico direto. Foi idealizado pela empresa Teamwork Technology B.V (Cruz, 2008). Este dispositivo encontra-se totalmente submerso pelo que possui pelo menos duas vantagens, devido a esse facto, não é visível o que faz com que tenha uma maior aceitação por parte da população, a outra vantagem é a de ser menos vulnerável a tempestades. O AWS consiste numa câmara cilíndrica cheia de ar fixada ao leito do mar e aberta no topo (o silo), fechada por outro cilindro (o flutuador). Um selo de ar é criado entre os dois cilindros e devido a isso a água não entra no silo. O flutuador move-se para baixo devido ao aumento de pressão provocado pela passagem da crista da onda e para cima devido à diminuição da pressão provocada pela cava da onda (Cruz, 2008). A figura 2.26 representa o princípio de funcionamento do AWS. Ao adicionar um sistema PTO a oscilação pode ser convertida em energia elétrica. No caso do AWS, o PTO é um gerador linear de magnetos permanentes, conforme o representado na figura 2.27.
No comportamento dinâmico do AWS dois movimentos distintos podem ser analisados e modelados separadamente (Costa et al., 2005):
• Movimento de baixa frequência devido a mudanças na maré ou pressão atmosférica e/ou temperatura dentro do AWS – “Comportamento dinâmico lento”
• Movimentos de alta frequência devido às ondas do mar – “Comportamento dinâmico rápido” Para cada um destes movimentos, é implementado um tipo de controlo diferente no Time Domain Model (TDM), o controlo de “comportamento dinâmico lento” é efetuado variando o volume de ar e água dentro do tanque central do AWS e usando ar auxiliar adicional e tanques de água, para armazenar e permutar ar com o tanque central.
27
Figura 2.26 - Princípio de funcionamento do AWS. (Cruz, 2008)
Figura 2.27 - A seção de quatro polos do gerador linear de íman-magnetos permanentes. (Cruz, 2008) A parte central é o estator. As partes direita e esquerda representam os translatores com ímanes com as
28 A variação dos parâmetros associados ao “comportamento dinâmico lento” é considerada como quási-estacionário. O controlo do “comportamento dinâmico rápido” é fornecido pelo gerador elétrico linear para assegurar que a amplitude do movimento do cilindro que se encontra móvel, é o maior possível para extrair o máximo de energia das ondas, mas mantida dentro dos limites operacionais pré-definidos (−+3,5 𝑚). No entanto para ondas muito altas (Hs > 5 m), a força de amortecimento adicional é fornecida por dispositivos de amortecimento hidráulicos chamados “water dampers”. De acordo com a amplitude de ondas, dois modos de controlo podem ser usados:
• Modo de curso constante (maior amplitude de ondas) – O flutuador oscila dentro dos seus limites operacionais pré-definidos, com a força de amortecimento fornecida pelo gerador elétrico linear e pelos amortecedores hidráulicos
• Modo de amortecimento constante (ondas de baixa amplitude) – A força de amortecimento é constante, e igual ao coeficiente hidrodinâmico, a fim de extrair o máximo de energia das ondas a partir de uma pequena amplitude de ondas (Evans, 1976)
O AWS foi projetado para operar em torno de frequências ressonantes. De acordo com a teoria de absorção pontual a energia máxima que pode ser extraída é alcançada quando o dispositivo está em ressonância com as ondas incidentes (Falnes, 2002), isto quer dizer que a frequência das ondas é a mesma que a frequência natural do sistema oscilatório. Para manter o AWS ajustado para o período de onda é usado o procedimento de controlo de “comportamento dinâmico lento”. Este tipo de conversor é adequado para profundidades superiores a 25 m (AWS Ocean Energy, 2018). A potência nominal do AWS é de 2470 kW (Carbon Trust, 2005). O AWS foi o segundo CEO a ser ligado à rede elétrica (sendo ultrapassado pelo Pelamis em apenas seis semanas) (AWS Ocean Energy, 2018). O estado de maturação desta tecnologia é o de protótipo (Poullikkas, 2014).
Para se calcular a energia produzida por este dispositivo é necessário recorrer à sua matriz de potência, conforme a figura 2.28.
