MODELAGEM E ANÁLISE DE GERAÇÃO MAREMOTRIZ NO ESTUÁRIO DO BACANGA
PEDRO B.LEITE NETO,OSVALDO R.SAAVEDRA,LUIZ A.S.RIBEIRO
Núcleo de Energias Alternativas Instituto de Energia Elétrica Universidade Federal do Maranhão
Av. dos Portugueses, s/n. Campus do Bacanga, CEP 65040-080, São Luís, Brasil E-mails: pedroblneto@yahoo.com.br, o.saavedra@ieee.org,
luiz_ribeiro@dee.ufma.br
Abstract⎯ In this paper a methodology to estimating the energetic performance of a tidal power plant on the estuary of Bacanga in presented. By modeling components and tidal cycle several generation scenarios were simulated and analyzed considering single-effect and double-effect operation over one year of operation. From results obtained, it can be concluded that although some restrictions to the full exploitation of the potential of the estuary, it is still possible to exploit a significant energy. This is due to improvements in efficiency of electromechanical equipments currently available that allow the exploitation of energy in very low falls, as is the case of Bacanga.
Keywords⎯ Tidal Energy, Renewable Energies, Small Hydro-Electric Plants, Energetic Planning.
Resumo⎯ Neste artigo é o apresentada uma metodologia para a estimação de indicadores energéticos de uma usina maremotriz no estuário do Bacanga. Através da modelagem de componentes e do ciclo de mares, foram simulados e analisados cenários de geração em efeito-simples e efeito-duplo para um ano de operação. Através dos resultados, pode-se concluir que, embora algumas restrições impeçam o pleno aproveitamento do potencial do estuário, ainda é possível um aproveitamento significativo do mesmo. Isto se deve em grande parte às melhorias, em termos de eficiência, dos equipamentos eletromecânicos disponíveis atualmente, que possibilitam a exploração energética de baixíssimas quedas, como é o caso do Bacanga.
Palavras-chave⎯ Geração maremotriz, Energias Renováveis, Pequenas Centrais hidrelétricas, Planejamento Energético.
1 Introdução
O constante aumento da demanda e as restrições relacionadas a aspectos ambientais tem desafiado o setor energético mundial a propor novas alternativas de geração de eletricidade que melhor se adequam a este cenário.
Embora seu pleno aproveitamento seja restrito a poucos locais do planeta, a geração maremotriz tem se demonstrado uma fonte bastante promissora e, portanto, alvo de diversas pesquisas inclusive no Brasil (Bhuyan, 2010) (Sheth, 2005) (Leite Neto, P.
B. et al, 2011). Isto se deve principalmente devido ao surgimento de novas tecnologias de aproveitamento de baixas quedas que permitem a viabilidade comer- cial deste tipo de exploração (Leite Neto, P. B. et al, 2010).
A energia maremotriz possui algumas vantagens tanto de natureza técnica quanto de natureza ambien- tal: uma delas é a previsibilidade, ou seja, a possibi- lidade de se prever de forma bastante precisa o com- portamento das marés e, consequentemente, a ener- gia produzida. Outra vantagem é que não há necessi- dade de se alagar novas áreas além daquelas anteri- ormente alagadas, como geralmente ocorre nas hi- droelétricas convencionais (Leite Neto, P. B. et al, 2009).
Estudos encomendados pela ELETROBRÁS na década de 80 (Sondotécnica, 1981) revelaram que o Brasil apresenta um potencial energético maremotriz bastante significativo principalmente na costa do Maranhão, Pará e Amapá. Tal potencial seria da
ordem de 72 TWh. Embora sejam valores bastante relevantes, o seu completo aproveitamento é, no contexto atual, inviável sob o ponto de vista ambien- tal e econômico. Por outro lado, tem-se demonstrado que no Brasil a exploração maremotriz através de projetos em escala reduzida apresentam chances bem maiores de viabilidade técnica e econômica (Leite Neto, P. B. et al, 2009).
Neste trabalho é apresentado um estudo sobre o po- tencial energético maremotriz no estuário do Bacan- ga, em São Luís. Tais estudos foram realizados atra- vés da modelagem dos principais componentes en- volvidos na geração maremotriz tais como a modela- gem das marés, estuário e turbo-geradores, além de simulações computacionais da operação anual da usina. Desta forma, é possível estimar os principais indicadores energéticos relacionados à operação da usina, como por exemplo: geração energética anual, potência média e máxima gerada e fator de carga.
Destaca-se ainda que um das principais vantagens das técnicas utilizadas nesse trabalho é o fato de que as simulações são de natureza cronológica. Desta forma, é possível se obter uma análise mais detalhada sobre a operação da usina ao longo de um dado perí- odo de tempo que, neste caso, considerou-se todo o ano de 2012.
Inicialmente é apresentado um breve histórico da barragem do Bacanga e suas restrições operacionais.
Em seguida são apresentadas as metodologias para a modelagem das marés, do estuário e turbo-geradores.
Posteriormente são apresentados os resultados de
diferentes cenários de geração. Finalmente são feitas algumas considerações e conclusões do trabalho.
A seguir uma descrição das principais variáveis utili- zadas na análise:
maré0: altura da maré no instante inicial da análise;
res0: nível do reservatório no instante inicial da análise;
h0: diferença entre os níveis do reservatório e da maré no instante inicial da análise;
step: passo da simulação;
Q: vazão turbinada (m3/s);
eff: eficiência da geração;
P: potência gerada (kW);
V_extr: volume de água extraído do reser- vatório durante o processo de geração (m3);
V: volume total do reservatório (m3);
2 Descrição do Estuário e Barragem do Bacanga
Situado na cidade de São Luís – MA, o estuário do Bacanga está sendo considerado como o local bastante favorável para estudos estratégicos sobre a viabilidade de exploração competitiva de baixa que- da, como é o caso de aproveitamentos maremotrizes.
Na Figura 1 é apresentada uma vista aérea do estuá- rio alvo onde se observa a barragem existente.
Figura 1. Vista aérea do estuário e barragem do Bacanga (ZEEMA, 1999).
Desde a época da construção da barragem, di- versos estudos foram realizados sobre as possibilida- des de aproveitamento desta a para a geração de eletricidade (Lima, 2003).
Embora fosse bastante promissora, a proposta inicial tornou-se inviável devido a uma série de fatos poste- riores: ocupação urbana desordenada em áreas do reservatório e a criação de uma avenida que também margeia o reservatório obrigaram que este fosse mantido, através do controle das comportas da barra- gem, a uma cota máxima bem inferior ao previsto no projeto inicial. Entretanto, as propostas mais atuais se concentram na proposta de aproveitamento em pe-
quena escala, visando-se as seguintes premissas (Fer- reira, 2009):
• Possibilitar a geração de energia elétrica dentro de uma grande área urbana de con- sumo, com destaque ao campus da Univer- sidade Federal do Maranhão;
• Configurar-se como uma usina laboratório para o desenvolvimento de pesquisa, tecno- logia e recursos humanos em projetos que utilizem as marés como fonte de energia;
• Inserir o Brasil no grupo de países que de- senvolvem pesquisas aplicadas ao aprovei- tamento da energia das marés;
• Revitalização da área através da recupera- ção ambiental e paisagística, transformando- a em atrativo turísticos que resultaria na in- serção da população local, criação de em- pregos e geração de renda.
3 Metodologia
Diversas metodologias tem sido apresentadas pa- ra a realização de estimativas de geração maremotriz.
Geralmente tais métodos utilizam modelos bastante simplificados tanto da modelagem das marés quanto da modelagem do estuário (Nag, 2011) (Prandle, 1984) (Deokar, 1998).
A metodologia apresentada neste trabalho utiliza modelos mais precisos tanto das marés quanto das características do estuário, em outras palavras, consi- dera-se uma série temporal que representa a variação das marés em sincroniza com a hora local e também a variação da área da superfície do reservatório em função de sua cota.
3.1 Modelagem da Marés
Uma das principais vantagens da geração mare- motriz é a alta previsibilidade da fonte primária. Isto se deve ao fato de que as marés estão relacionadas principalmente as fenômenos astronômicos bastante conhecidos e previsíveis.
As variações da altura de maré podem ser represen- tadas pela soma de um número finito de termos har- mônicos aos quais se chamam constituintes harmôni- cas da maré. Cada constituinte representa um deter- minado movimento astronômico relacionado com o movimento da Terra, Lua e/ou Sol e que pode ter desde uma periodicidade diária até, por exemplo, um período de 18,6 anos correspondente à regressão dos nodos lunares (pontos onde a Lua cruza o plano da elíptica) (Martins, 2007).
Em (Ferreira, 2007) é apresentado um estudo deta- lhado das marés no terminal Ponta da Madeira, pró- ximo ao estuário do Bacanga. Além disso, são apre- sentadas as principais componentes harmônicas que constituem as marés da Ponta da Madeira, conforme vistas na Tabela 1.
A partir das constituintes harmônicas é possível re- criar a série de marés a partir da equação 1 (Ferreira, 2007).
ℎ𝑡 = ℎ!+ !!!!𝐻!cos𝑉!−𝐾! ( 1 )
Onde:
h é a altura da maré no instante t;
Hi é a amplitude da componente harmônica i;
Vi é o argumento da componente harmônica i;
Ki é a fase da componente harmônica i.
Através da equação 1 é possível recriar uma série temporal de variações de marés para o período de tempo desejado. Isto é possível graças ao fato de que as marés apresentam uma variação anual inferior a 5
% (Charlier, 2009). Através de um processo iterativo, a série criada foi sincronizada com os dados de marés previstas para o ano de 2012 disponíveis nas Tábuas de Marés (DHN, 2012). Desta forma pretende-se realizar simulações de operação da usina de forma sincronizada com a hora local.
Na Figura 2 observa-se o grau de semelhança entre a série gerada a partir da equação 1 e os pontos máxi- mos e mínimos disponibilizados pela Tábua de Ma- rés (DHN, 2012).
Tabela 1. Principais componentes harmônicas das marés na Ponta da Madeira (Ferreira, 2007).
Componen- tes
Frequência (ciclo/h)
Amplitude
(cm) Fase(º)
M2 0,08051 210,140 157,6
S2 0,08333 57,932 264,4
N2 0,07900 38,079 80,2
K2 0,08356 16,952 69,0
L2 0,08202 13,849 35,6
K1 0,04178 10,237 71,1
NU2 0,07920 10,149 131,9
O1 0,03873 9,825 343,1
MU2 0,07769 9,342 181,9
2N2 0,07749 7,920 19,4
LDA2 0,08182 5,529 321,6
M4 0,16102 4,907 100,5
SSA 0,00023 4,079 249,1
MSN2 0,08485 3,233 115,7
M6 0,24153 3,188 161,1
EPS2 0,07618 3,121 76,0 2MS6 0,24436 3,101 258,3
P1 0,04155 3,042 73,3
MS4 0,16384 2,413 241,4
OQ2 0,07598 2,140 307,1
M3 0,12077 2,014 74,5
MF 0,00305 1,900 225,4
MKS2 0,08074 1,842 89,2 2MN6 0,24002 1,756 79,6
Q1 0,03722 1,687 264,6
MN4 0,15951 1,432 32,0
MO3 0,11924 1,344 52,5
NO1 0,04027 1,167 341,0
MM 0,00151 1,096 62,2
MSF 0,00282 1,049 305,6
2SM6 0,24718 1,029 356,8 O uso da modelagem das marés da Ponta da Madeira para simulações no estuário do Bacanga se justifica pelo fato de que a mesma onda de maré se propaga por toda a baía de São Marcos, com poucas perdas de amplitude, apresentado pouca defasagem (Ferreira, 2007).
Figura 2. Semelhança entre a série de marés gerada e dados da Tábua de Marés.
3.2 Modelagem do Estuário
Uma das principais diferenças entre aproveita- mentos maremotrizes e as centrais hidroelétricas convencionais é o fato de que no primeiro caso o reservatório apresenta grandes variações de nível e volume d’água durante o processo de geração. Este regime de operação requer um modelo bastante pre- ciso quanto a geografia do estuário. Portanto, estudos de batimetria se tornam de grande importância.
Em (Ferreira, 2007) são apresentados dados de bati- metria realizada a montante e a jusante da barragem do Bacanga. Na Figura 3 é apresentada a relação Cota X Volume do estuário.
Figura 3. Relação entre cota e volume do estuário do Bacanga (Ferreira, 2007).
Uma importante característica do estuário do Bacan- ga são as restrições de cotas mínima e máxima. De- vido às ocupações urbanas no entorno do estuário, e também as atividades socioeconômicas existentes no local, tais como atividades pesqueiras, o estuário não
deve ser completamente cheio até a conta máxima de preamar, bem como não deve ser completamente seco até a cota mínima da baixa-mar. Estima-se que as cotas mínima e máxima do estuário devem perma- necer entre 2,5 m e 4,5 m (Ferreira, 2007).
3.3 Modelo das Turbinas
Neste estudo energético foram considerados al- guns parâmetros típicos de turbinas do tipo Kaplan, com eficiência operacional da ordem de 90 %, vazão máxima de 82,5 m3/s e potência nominal de 2,1 MW (Castro, 2008). A queda mínima de operação da turbina é de 1 m. Na Figura 4 é apresentada a curva típica de rendimento do modelo de turbina utilizado.
Figura 4. Curva de rendimento do modelo de turbina utilizado (Castro, 2008).
Na Figura 5 são apresentadas algumas curvas ca- racterísticas de geração do modelo de turbina utiliza- do.
Figura 5. Curvas características de geração do modelo de turbina utilizado (Castro, 2008).
Além da modelagem dos elementos menciona- dos anteriormente, a equação 2 é usada para calcular a vazão através das comportas da usina durante o reenchimento do reservatório na operação em efeito- simples.
𝑞 𝑡 = ℎ! 𝑡 ∗𝑏∗ !∗!∗(!!!!!!(!))
!!!!!(!)
!(!)
( 2) Onde:
q(t) é a vazão instantânea através da com- porta;
h2(t) é a cota a montante;
b é o comprimento da comporta (12,5 m);
g é a aceleração gravitacional (9,8 m/s2);
h1(t) é a cota a jusante.
4 Simulações e Resultados
Com base nos modelos descritos na sessão ante- rior e através do algoritmo representado no fluxo- grama da Figura 6, é possível estimar a potência gerada pela usina em intervalos discretos de um minuto durante cada ciclo de maré e por um período de um ano.
A partir do perfil anual de potência gerada, estima-se outras grandezas elétricas e indicadores de desempe- nho da usina, como por exemplo a energia anual gerada e fator de carga da usina.
4.1 Geração Efeito-Simples
O primeiro cenário a ser analisado consiste na usina operando em efeito-simples e com dez turbi- nas. Na Figura 7 é demonstrado o perfil da operação fictícia da usina durante as primeiras horas do dia 01 de janeiro de 2012.
Figura 6. Fluxograma básico do algoritmo utilizando durante o processo de geração.
Figura 7. Operação da usina em efeito-simples.
Na tabela 1 são apresentados alguns indicadores de desempenho da usina operando em efeito-simples.
Tabela 2. Indicadores de desempenho da usina operando em efeito-simples.
Energia gerada (GWh) 37,397 Potência Máxima (MW) 23,511
Potência Média (MW) 4,257
Fator de Carga (%) 20,27 Tempo de operação (%) 37,48
Na Figura 8 é apresentada a curva de permanên- cia da potência gerada pela usina durante uma ano de operação em efeito-simples.
Figura 8. Curva de permanência da potencia gerada em efeito- simples.
4.2 Geração Efeito-Duplo
O segundo cenário avaliado consiste na operação da usina em efeito-duplo, ou seja, a geração acontece tanto na maré vazante quanto na maré enchente. Na Figura 9 é demonstrado o perfil de operação da usina durante as primeiras horas do mês de janeiro de 2012.
Figura 9. Perfil de operação da usina operando em efeito-duplo.
Na tabela 2 são apresentados alguns indicadores de desempenho da usina operando em efeito-duplo.
Tabela 3. Indicadores de desempenho da usina operando em efeito-duplo.
Energia gerada (GWh) 55,601 Potência Máxima (MW) 23,511
Potência Média (MW) 6,330
Fator de Carga (%) 30,140 Tempo de operação (%) 64,83
Na Figura 10 é apresentada a curva de perma- nência da potência gerada pela usina durante um ano de operação em efeito-duplo.
Figura 10. Curva de permanência da potencia gerada em efeito- duplo.
5 Análise dos Resultados
Uma das principais características da geração através de fontes alternativas de energia é a intermi- tência da fonte primária. Observa-se nas Figuras 7 e 9 que, independentemente da estratégia de operação da usina, haverão períodos de não geração devido aos momentos em que a queda d’água é menor do que o mínimo necessário para a operação das turbinas.
A operação intermitente da usina também pode ser refletida nos valores de tempo de operação da usina apresentados nas tabelas 1 e 2. Estes índices são definidos como sendo a parcela percentual de tempo em que a usina está gerando eletricidade.
Observa-se nas tabelas 1 e 2 que a potência má- xima gerada pela usina independe do tipo de opera- ção da mesma. Nota-se ainda que na operação em efeito-duplo há uma melhoria significativa em termos de potência média gerada pela usina. Isto acontece devido a redução dos instantes de não geração pro- porcionada pela geração em efeito-duplo, conforme se observa nas Figuras 7 e 9.
Os valores de energia gerada pela usina operan- do em efeito-simples e em efeito-duplo podem ser facilmente calculados como sendo a área abaixo das curvas de potência apresentadas nas Figuras 7 e 9, respectivamente.
As curvas de permanência apresentadas nas Fi- guras 8 e 10 refletem os valores de tempo de opera- ção da usina apresentados nas tabelas 1 e 2, respecti- vamente.
Diferentemente do que se poderia supor, os re- sultados apresentados demonstram que a operação em efeito-duplo não implica em simplesmente dobrar os valores dos indicadores da operação em efeito- simples. Isto acontece por que o processo de geração na maré enchente é menos eficiente do que durante na maré vazante.
Os índices de fator de carga apresentados nas ta- belas 1 e 2 foram definidos como sendo a razão entre a potência média gerada pela usina durante um ano de operação e a sua potência instalada. Valores típi- cos de fator de carga de usinas maremotriz são da ordem de 20 a 30 %, o que apresenta uma conformi- dade com os valores apresentados nas tabelas 1 e 2.
Embora se tratem de estudos preliminares, as simulações apresentadas demonstraram um potencial energético significativo a ser explorado no estuário do Bacanga. Além disso, as construções civis já existentes no estuário, bem como os baixos custos de operação de uma usina maremotriz apontam para a viabilidade econômica do projeto.
Outro aspecto bastante favorável é a proximida- de do estuário a grandes centros de consumo. Esta característica reduziria substancialmente alguns cus- tos adicionais tais como a redução de linhas para integração à rede elétrica. Além disso, por se tratar de uma fonte de geração bastante próxima de um grande centro de carga, outras melhorias, como por exemplo a redução das perdas e do carregamento nas linhas de transmissão convencionais e também a economia de reservatório das grandes hidroelétricas poderiam ser observadas.
Embora seja uma planta de pequeno porte, se comparada ao sistema a qual estaria conectada, tal característica permite considerar que toda a produção da usina poderia ser absorvida pelo mesmo. Isto implicaria na redução do tempo de recuperação do investimento inicial da usina.
Os resultados apresentados demonstraram ainda que a escolha do modo de operação da usina é um fator decisivo para o desempenho da usina, sendo que a operação em efeito-duplo apresentou resultados significativamente melhores. A escolha do modo de operação é um importante fator a ser analisado no planejamento da usina, principalmente com relação ao planejamento das turbinas.
A metodologia apresentada permite fazer o má- ximo de aproveitamento de umas das principais ca- racterísticas da geração maremotriz que é a alta pre- visibilidade das marés, ou seja, através de uma simu- lação temporal, é possível prever o quanto e em quais momentos a usina poderá ser despachada. Isto consti- tui uma ferramenta bastante útil tanto para o plane- jamento da operação da usina como também para a atuação da mesma como um agente no mercado de energia elétrica.
Vale destacar que, embora se trate de um estudo preliminar específico para o estuário do Bacanga, a metodologia apresentada neste trabalho pode se apli- cada em outros projetos de aproveitamentos maremo-
trizes, considerando-se as características de marés, reservatório e turbinas de cada projeto.
6 Conclusão
Neste trabalho foi apresentada uma nova meto- dologia para a estimação de indicadores energéticos de uma usina maremotriz no estuário do Bacanga.
Foram analisados cenários de geração em efeito- simples e efeito-duplo.
A alta previsibilidade das marés permitiu um modelo bastante eficaz da operação anual da usina, de forma que a metodologia apresentada nesse traba- lho pode se tornar uma ferramenta útil para modela- gem e análise de projetos semelhantes ao do estuário do Bacanga.
Através dos resultados, pode-se concluir que, embora algumas restrições impeçam o pleno aprovei- tamento do potencial do estuário, ainda é possível um aproveitamento significativo do mesmo. Isto se deve em grande parte às melhorias, em termos de eficiên- cia, dos equipamentos eletromecânicos disponíveis atualmente, que possibilitam a exploração energética de baixíssimas quedas, como é o caso do Bacanga.
Agradecimentos
Os autores agradecem o apoio da CAPES, Ele- trobrás e CNPq através do projeto Pesquisa e Desen- volvimento para a Implantação de uma Usina- Laboratório Maré-motriz na Barragem do Bacanga, Edital MCT/CNPq FNDCT Nº 05/2010.
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