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FERREIRA, RAFAEL MALHEIRO DA SILVA DO AMARAL
Aproveitamento da Energia das Marés Usina Maremotriz do Bacanga, MA [Rio de Janeiro] 2007
XIII, 121 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc., Engenharia Oceânica, 2007)
Dissertação – Universidade Federal do Riode Janeiro, COPPE
1. Energia das Marés 2. Energia dos Mares 3. Energia Renovável
I. COPPE/UFRJ II. Título (série)
“Utilisez la nature, cette immense auxiliaire dédaignée. Faites travailler pour vous tous les souffles de vent, toutes les chutes d'eau, tous les effluves
magnétiques. Le globe a un réseau veineux souterrain ; il y a dans ce réseau une circulation prodigieuse d'eau, d'huile, de feu ; piquez la veine du globe, et faites jaillir cette eau pour vos fontaines, cette huile pour vos lampes, ce feu pour vos foyers. Réfléchissez au mouvement des vagues, au flux et reflux, au va−et−vient des marées. Qu'est−ce que l'océan? Une énorme force perdue. Comme la terre est bête! ne pas employer l'océan!”
Quatre-Vingt-Treize, Victor Hugo
“Utilizai a natureza, essa imensa ajudante desprezada. Fazeis trabalhar por vós todos os sopros de vento, todas as quedas d’água, todas as correntes magnéticas. A Terra possui uma rede venosa subterrânea; existe nesta rede uma circulação prodigiosa de água, de óleo, de fogo; cortai a veia da Terra, e faça jorrar essa água pelas vossas fontes, esse óleo pelas vossas lâmpadas, esse fogo pelas vossas lareiras. Reflita sobre o movimento das ondas, ao fluxo e refluxo, ao vai-e-vem das marés. O que é o oceano? Uma enorme força perdida. Como a terra é besta! Não emprega o oceano!”
Noventa e três, Victor Hugo
À minha família, Conceição, Hercília e Alice
AGRADECIMENTOS
Agradeço, primeiramente, a Deus que me possibilitou vivenciar novas oportunidades, nas quais desenvolvi os dons dados por Ele.
Ao professor e amigo Segen Farid Estefen, por ter contribuído, através de sua visão empreendedora e pioneira, na minha opção pela pesquisa.
Aos amigos e colegas de trabalho Eliab Ricarte, Paulo Costa, Marcelo Pinheiro e André Mendes, pela convivência, aprendizado e conselhos que possibilitaram a elaboração trabalho.
Ao amigo Leonardo Barreira, por ter contribuído com sua experiência neste trabalho.
Aos colaboradores do Laboratório de Tecnologia Submarina da COPPE/ UFRJ, pela ajuda prestada no desenvolvimento da pesquisa.
À CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) pelo apoio financeiro fornecido durante este curso de pós-graduação.
Ao Dr. Marcio Vaz dos Santos, Secretário da Prefeitura de São Luís, pela colaboração no fornecimento de dados e recepção na visita a cidade.
Ao Alexandre Freire do IMCA, por possibilitar e acompanhar a visita à São Luís.
À minha família, por me apoiar e acreditar no meu empenho para a realização do trabalho.
À minha mãe, Conceição, por representar um símbolo de obstinação e virtude, que me concedeu animação para o desenvolvimento não só deste trabalho, mas de toda minha trajetória.
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
APROVEITAMENTO DA ENERGIA DAS MARÉS ESTUDO DE CASO: ESTUÁRIO DO BACANGA, MA
Rafael Malheiro da Silva do Amaral Ferreira Maio/ 2007
Orientador: Segen Farid Estefen Programa: Engenharia Oceânica
A energia das marés, embora conhecida e explorada desde a idade média, configura-se hoje como uma fonte alternativa para a geração de energia elétrica. A energia das marés é um tipo de energia renovável, não poluente e têm seus custos comparáveis ao de uma hidrelétrica. Existem poucos lugares adequados no mundo para a exploração da energia das marés. Os principais fatores condicionantes são a variação da altura de maré e a proximidade dos mercados consumidores de energia. No Brasil, existem possibilidades no litoral do Amapá, Pará e Maranhão, onde a maré alcança alturas superiores a 6 metros. Atualmente, o desenvolvimento de turbinas de baixa queda permitiu que muitos outros locais se tornassem apropriados para o aproveitamento do potencial maremotriz. A barragem do Bacanga, situada na cidade de São Luís, Maranhão, é um sítio potencial para converter a energia das marés em eletricidade. Uma nova concepção para a usina, considerando a ocupação do entorno do reservatório, o assoreamento e principalmente o aproveitamento máximo a partir da utilização de turbinas de baixa queda, torna possível a realização desse aproveitamento.
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
TIDAL ENERGY HARNESSING
STUDY OF CASE: BACANGA ESTUARY, MA
Rafael Malheiro da Silva do Amaral Ferreira May/ 2007
Advisor: Segen Farid Estefen Department: Ocean Engineering
The tidal energy, although known and explored since Antiquity, is considered today as an alternative source for electric energy generation. The energy of the tides is a type of renewable, non-pollutant energy and its costs are comparable to the hydroelectricity. Few places in the world are appropriate for tidal energy harnessing.
The main evaluation parameters are the tidal range and proximity to energy consuming markets. In Brazil, there are possibilities in the Northern region states, where the greatest amplitudes are observed. Nowadays, low head turbine developments allow other places to be competitive for tidal power exploitation. The Bacanga dam, located in São Luís city, Maranhão state, is a potential site to convert tidal energy into electricity. A new concept for the tidal plant, considering border reservoir occupation, silting and especially low head turbines, is proposed.
ÍNDICE
Agradecimentos ... v
Resumo ... vi
Abstract ... vii
Índice ... viii
Lista de figuras ... x
Lista de tabelas ... xiii
1 – Introdução ... 1
1.1 – Objetivos ... 3
2 – Revisão bibliográfica e Fundamentação teórica ... 4
2.1 – Energias renováveis ... 4
2.2 – Energia das marés ... 10
2.3 – Fundamentos da energia das marés ... 13
2.4 – Aproveitamento da energia das marés ... 16
2.5 – Teoria de marés ... 45
2.6 – Equipamentos eletromecânicos utilizados em maremotrizes ………...….. 59
3 – Metodologia ... 65
3.1 – Levantamentos batimétricos ... 66
3.2 – Previsão de marés ... 72
3.3 – Modelo de geração de energia ... 80
4 – Estudo de Caso: Usina maremotriz do Bacanga ... 82
4.1 – Caracterização ... 83
4.2 – Histórico ... 86
4.3 – Concepção proposta ... 87
5 – Resultados ... 90
5.1 – Levantamento batimétricos... 90
5.2 – Previsão de maré ... 100
5.3 – Modelo de geração de energia ... 103
6 – Sumário, Conclusões e Recomendações ... 111
6.1 – Sumário ... 111
6.2 – Conclusões ... 112
6.3 – Recomendações ... 114
7 – Referências bibliográficas ... 115
Anexos ... 120
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Reservas estimadas e produção anual das fontes energéticas (Fonte: WEC, 2004)
Figura 2.2 (a) e (b) Consumo mundial de energia primária e seu uso final Figura 2.3 – Funcionamento do moinho de maré (Fonte: ERIH, 2007)
Figura 2.4 – Moinho de maré no local monástico de Nendrum, Irlanda (Fonte: ERIH, 2007)
Figura 2.5 – Exemplos de aproveitamentos de antigas estruturas
(a) Turbina Salto del Pirineo instalada em um castelo da Espanha
(b) Turbinas Hidromatrix da VATech instalada em uma eclusa de navegação na Áustria
Figura 2.6 – Locais com alturas de maré superior a 5 m, apropriados para o aproveitamento maremotriz
Figura 2.7 – Ciclo de simples efeito – reservatório simples
Figura 2.8 – Funcionamento em simples efeito, geração na vazante Figura 2.9 – Funcionamento em simples efeito, geração na enchente Figura 2.10 – Funcionamento em duplo efeito
Figura 2.11 – Esquema de reservatórios múltiplos
Figura 2.12 – Usina maremotriz de La Rance, França – localização e imagem aérea Figura 2.13 – Barragem da usina maremotriz de La rance
Figura 2.14 – Turbina bulbo empregada na usina de La Rance Figura 2.15 – Funcionamento da usina de La Rance
Figura 2.16 – Usina Piloto de Kislaya Guba – localização e fotografia Figura 2.17 – Usina piloto de Annapolis Royal e potencial da Baía de Fundy Figura 2.18 – Detalhe da casa de força da usina piloto de Annapolis Royal Figura 2.19 – Turbinas Straflo utilizadas em Annapolis
Figura 2.20 – Projeto de barragem no rio Severn
Figura 2.21 – Localização do projeto da usina maremotriz de Sihwa na Coréia do Sul Figura 2.22 – Esquema geral da usina do projeto Sihwa (Fonte: Kim et al., 2004) Figura 2.23 – Sistema Terra-lua – Centros de massa
Figura 2.24 – Sistema Terra-lua – Forças de interação
Figura 2.25 – Decomposição da força tangencial nas direções norte e leste Figura 2.26 – Esfera celeste: posição relativa da lua
Figura 2.27 – As marés de sizígia (luas cheia e nova) e de quadratura (luas quarto de crescente e quarto de minguante)
Figura 2.28 – Sistemas anfidrômicos (Fonte: Dean & Dalrymple, 1984)
Figura 2.29 – Esquemas de turbinas de baixa queda utilizadas em maremotrizes Figura 2.30 – Sistema de 25 turbinas Hidromatrix instaladas na eclusa Freudenau,
Áustria
Figura 2.31 – O esquema Tidal Lagoon com três reservatórios (Tidal Electric, 2007) Figura 2.32 – Turbinas hidrocinéticas de eixo horizontal (Fonte: MCT, 2007,
Hidrocinética, 2007)
Figura 2.33 (a) Tidal Fence (Fonte: Blue Energy, 2007) (b) Turbina Gorlov (Fonte:
GCK, 2007)
Figura 2.34 – Instalação do protótipo do Stingray (Fonte: EB, 2003) Figura 3.1 – Disposição das linhas de sondagem
Figura 3.2 – Níveis de maré (Fonte: Marinha 2007)
Figura 3.3 – Cotas consideradas em um levantamento batimétrico realizado com ecobatímetro
Figura 3.4 - (a) Marés semidiurnas (b) Marés semidiurnas com desigualdades diurnas Figura 4.1 – Série de marés observadas (azul) e previstas (vermelho)
Figura 4.2 – Valores de variação da maré no litoral brasileiro
Figura 4.3 – Localização do estuário do rio Bacanga na cidade de São Luís, Maranhão Figura 4.4 – Foto Aérea do estuário do rio Bacanga (Fonte: Maranhão, 2006)
Figura 4.5 – Bacia hidrográfica do rio Bacanga Figura 4.6 – Esquema da operação da usina
Figura 5.1 – Ecossonda GP 1650 WF, Furuno e trandutor de bronze Figura 5.2 – Linhas de sondagem do levantamento batimétrico
Figura 5.3 – Calculadora do algoritmo de Vicenty adpatado para o levantamento batimétrico
Figura 5.4 – Dados de apresentação na tela do ecobatímetro e saída para o computador Figura 5.5 – Levantamento batimétrico do reservatório realizado em 2007
Figura 5.6 – Batimetria do reservatório visto em superfícies isóbatas Figura 5.7 – Batimetria do reservatório vista em 3 dimensões
Figura 5.8 – Curva cota x área x volume do reservatório
Figura 5.9 - Levantamento batimétrico do estuário realizado em 2007 Figura 5.10 - Batimetria do estuário visto em superfícies isóbatas
Figura 5.11 - Batimetria do estuário vista em 3 dimensões
Figura 5.12 (a) Alturas de maré durante o mês de janeiro em Ponta da Madeira (b) Alturas de maré durante o mês de junho em Ponta da Madeira Figura 5.13 – Curva de permanência das alturas da maré em Ponta da Madeira Figura 5.14 – Níveis do estuário e do reservatório para a maré de h = 4,3 m Figura 5.15 – Esquema de geração para a maré média h = 4,4 m
Figura 5.16 – Esquema típico de um dia de geração na maré de quadratura Figura 5.17 – Esquema típico de um dia de geração na maré de sizígia Figura 5.18 – Esquema típico de um mês de geração
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Comparação entre as fontes de energia primária (Fonte: WEC, 2004) Tabela 2.2 – Potencial da energia das marés na Europa Ocidental
Tabela 2.3 – Sítios potenciais para o aproveitamento maremotriz Tabela 2.4 – Movimentos astronômicos
Tabela 2.5 – Principais componentes harmônicas que influenciam a maré Tabela 3.1 – Ordens de levantamento hidrográfico (Fonte: Marinha, 2007) Tabela 5.1 – (a) e (b) Áreas e volumes do reservatório em relação a sua cota de
enchimento
Tabela 5.2 – Componentes harmônicas de maré maiores que 1 cm em Ponta da Madeira Tabela 5.3 – Freqüência das alturas de maré em Ponta da Madeira
Tabela 5.4 – Estimativa de produção de energia
1- Introdução
As marés são oscilações rítmicas do nível do mar, causadas pela atração gravitacional do sol e da lua e rotação da Terra, e, eventualmente, por eventos meteorológicos. A onda de maré carrega consigo grande quantidade de energia, sendo potencialmente uma fonte energia para as atividades humanas. A conversão da energia das marés para uso humano é muito antiga, havendo relatos da época romana sobre sua utilização para a moagem de grãos. Os aproveitamentos mais recentes de marés têm como objetivo a conversão da energia hidráulica das marés em energia elétrica.
A energia das marés pode ser extraída de dois modos: conversão da energia potencial, através da construção de uma barragem para criar um reservatório, havendo desnível entre estuário e reservatório, ou pela conversão da energia cinética das correntes de maré.
Existem poucos lugares adequados no mundo para a exploração da energia das marés. O principal fator condicionante é a altura da onda da maré, que implica na utilização de turbinas hidráulicas de baixa queda. Alguns exemplos de usinas existentes no mundo, tanto de caráter experimental quanto comercial, são La Rance de 240 MW na França, Annapolis de 20 MW no Canadá, Jiangxia de 3,2 MW e Kislaya de 0,4 MW na Rússia. Recentemente, com o desenvolvimento da tecnologia de turbinas de baixa queda, muitos outros locais podem ser interessantes para o aproveitamento da energia das marés (Charlier, 2003).
No Brasil, existem possibilidades no Amapá, Pará e Maranhão, onde são observadas as maiores amplitudes de maré em território nacional (Eletrobrás, 1981). Em 1968, no estado do Maranhão, foi construída uma barragem sobre o rio Bacanga com o principal objetivo de diminuir a distância da capital São Luís ao porto de Itaqui. O aproveitamento da energia das marés foi vislumbrado na época da construção da barragem, fortemente influenciado pela construção da usina de La Rance na França em 1966. Entretanto, face aos custos e à viabilidade técnica, os equipamentos para a geração nunca foram instalados. A usina se fosse implementada como planejado, seria a segunda maior do mundo (Charlier,1997).
Na década de 1970, a ocupação urbana no entorno do reservatório, o
possível aproveitamento daquele estuário para a geração de energia elétrica. No presente trabalho, uma metodologia para a abordagem de parâmetros de aproveitamentos de energia das marés é apresentada. Adicionalmente, são discutidas concepções alternativas para exploração da energia das marés no estuário do rio Bacanga, estado do Maranhão, Brasil.
No Capítulo 2, encontram-se a revisão bibliográfica e fundamentação teórica do trabalho. Primeiramente, os temas sobre energias renováveis, energias hidráulica e do mar em geral e também a energia das marés, foco deste trabalho, são abordados.
O Capítulo 3 consiste na descrição das ferramentas empregadas no desenvolvimento da metodologia proposta.
No Capítulo 4 é apresentado o estudo de caso da usina do Bacanga, localizada no município de São Luís no Maranhão. Brevemente, tópicos sobre a caracterização, localização e histórico da usina são descritos.
A análise dos resultados obtidos constitui o Capítulo 5. Neste, são mostrados os levantamentos batimétricos realizados, os resultados dos modelos de previsão de maré e de geração de energia.
Finalmente, no Capítulo 6, são apresentadas as conclusões e recomendações deste trabalho.
1.1 – Objetivos
Embora tenham existido algumas iniciativas no Brasil em relação ao aproveitamento da energia das marés, a literatura específica é escassa sobre o assunto.
Não obstante, o conhecimento técnico sobre projetos de esquemas maremotrizes no Brasil e no mundo encontram-se desatualizados, em virtude de avanços tecnológicos, principalmente no levantamento e análise de dados oceanográficos e costeiros. Neste sentido, a presente dissertação tem como objetivo realizar a síntese do conhecimento sobre o aproveitamento da energia das marés, explanando pontos relevantes a todo o seu processo de desenvolvimento.
Outra contribuição da dissertação é construir uma metodolgia replicável para a avaliação de locais favoráveis à implantação de aproveitamentos maremotrizes. No desenvolvimento do estudo de viabilidade de um aproveitamento maremotriz, alguns procedimentos são obrigatórios, os quais estão aqui reproduzidos em linhas gerais, como, por exemplo, a obtenção e processamento de dados de maré e de batimetria.
Por fim, a aplicação da metodologia no estudo de caso para avaliação hidroenergética da usina maremotriz do Bacanga e criação de base de dados da área em questão configuram-se como objetivos específicos deste trabalho.
2- Revisão Bibliográfica e Fundamentação Teórica 2.1- Energias Renováveis
A conversão de energia para as atividades humanas configura-se em uma das mais importantes buscas ao longo da história. As tecnologias associadas à conversão e à utilização de energia têm marcado profundamente a evolução das sociedades.
Sucessivamente, a descoberta do fogo, há cerca de 500.000 anos atrás, a utilização de moinhos na Idade Média e a Revolução Industrial no final do século XVIII representaram verdadeiras transformações na forma de produzir da sociedade.
As primeiras civilizações tinham disponibilidade reduzida de energia, pois utilizavam a tração humana ou animal para a realização de atividades como a lavragem da terra, a irrigação, a moagem e o transporte de grãos. Embora não existam registros precisos acerca do trabalho executado por homens ou animais, a energia despendida era limitada a 400 W no caso dos homens e 2.000 W no de animais (Sorensen, 2004).
Até a Revolução Industrial, as fontes primárias de energia eram a tração humana ou animal e biomassa, acrescidas de algumas utilizações de energia solar, eólica, hidráulica e maremotriz. A introdução da máquina a vapor tanto no modo de produção industrial, como também nos transportes marítimos e terrestres, de curtas e longas distâncias, fez com que os combustíveis fósseis se estabelecessem como principal fonte energética. O consumo mundial de combustíveis fósseis tem crescido desde o final do século XVIII, tornando-se o fator preponderante no desenvolvimento industrial e no progresso da sociedade contemporânea. Simultaneamente, o modelo de desenvolvimento baseado na maximização do consumo e queima de combustíveis fósseis vêm ocasionando graves problemas ambientais.
O debate sobre as questões ambientais e energéticas teve seu início após as publicações da década de 1970. Em Limits to Growth (Meadows et al., 1972), relatório elaborado pelo Clube de Roma, o padrão de desenvolvimento econômico foi severamente criticado. O desequilíbrio entre a oferta e a demanda por recursos naturais foram deflagrados, de forma que, se as tendências atuais de crescimento fossem mantidas, o mundo alcançaria o limite de sustentabilidade em pouco tempo.
Em seguida, a Conferência de Estocolmo (UN Conference on the Human Environment, 1972) introduziu a dimensão ambiental na agenda internacional e ressaltou as dependências entre desenvolvimento e o meio ambiente. Os principais problemas ambientais identificados afetavam, de maneira geral, todo o globo terrestre, tais como a destruição da camada de ozônio, o efeito estufa, as mudanças climáticas e a chuva ácida. A aceleração desses problemas ambientais globais estava ligada ao desenvolvimento industrial, verificado principalmente nos países ricos e desenvolvidos.
A partir de então, a abordagem de tais problemas ambientais passou a considerar a dimensão social, à medida que, os países industrializados, por provocarem maiores danos ao meio ambiente, responderiam em maior proporção em suas ações mitigadoras do que aqueles em desenvolvimento.
Nos anos de 1973-74 e 1979-80, o paradigma do consumo intensivo do petróleo foi afetado em virtude dos Choques do Petróleo, que significaram uma onda sucessiva de aumento dos preços do produto no mercado internacional (La Rovere, 1985).
Paralelamente, os acidentes em usinas nucleares de Three Mile Island, em 1979, e em Chernobyl, em 1986, somados a outras agressões ao meio ambiente em função do suprimento da demanda energética, fizeram com que novos rumos em relação à questão energética fossem traçados (Krüger, 2001).
A década de 1980, comumente chamada de a década perdida, trouxe uma nova crise econômica ao mundo capitalista conseqüência das crises do petróleo ocorridas nos anos anteriores. Os países em desenvolvimento evitavam tratar das questões ambientais de forma pragmática, uma vez que tinham consciência que o seu desenvolvimento econômico dependia da utilização ostensiva de recursos naturais e intervenção no meio ambiente. Em 1987, o relatório Nosso Futuro Comum (Brundtland, 1987) elaborado pela Comissão Mundial para o Meio Ambiente e Desenvolvimento, lançou as bases do Desenvolvimento Sustentável, apontando a dimensão sócio-econômica como necessária na abordagem das questões ambientais.
Por fim, a Conferência do Rio de Janeiro (UN Conference on the Environment and Development, 1992), realizada em 1992, assinalou uma transformação no tratamento das questões ambientais, resultando em acordos e documentos de âmbito internacional. O comprometimento dos países em desenvolvimento foi garantido com a
inclusão de metas bem definidas que não restringiriam a evolução econômica de tais países.
Entre outras conferências sobre mudanças climáticas que foram organizadas após aquela do Rio de Janeiro, a realizada em Kyoto, em 1997, produziu um acordo internacional dos mais importantes do setor energético: o Protocolo de Kyoto. Através deste acordo, são estabelecidos mecanismos de redução e combate ao aquecimento global. Importante observar que as metas adotadas de redução da emissão de gases estufa foram proporcionais ao grau de industrialização e poluição dos países signatários, resultando nas taxas de 8 % para a União Européia, 7 % para os Estados Unidos e 6 % para o Japão, até 2012.
Outra novidade deste acordo foi o lançamento do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), cujo significado é o fomento de projetos mitigadores da emissão de gases estufa por parte dos países industrializados, tais como sumidouros de carbono pelo processo de fotossíntese, de tecnologias mais limpas nos processos industriais, de eficiência no uso final da energia e de incentivo ao desenvolvimento de fontes alternativas de energia.
Apesar de haver uma preocupação premente com o meio ambiente, através da redução da emissão de gases estufa que provocam as mudanças climáticas, o consumo mundial de energia vem aumentando significativamente em virtude do crescimento populacional acentuado e da evolução do seu poder aquisitivo. As discussões nos acordos internacionais de mudanças climáticas sugerem o desenvolvimento e utilização de fontes renováveis de energia em substituição dos combustíveis fósseis.
Em relação aos debates sobre desenvolvimento sustentável e desenvolvimento, diversos autores estabelecem o conceito de alternativas energéticas, que incluem tanto a inserção de novas fontes na matriz energética, quanto o aumento da eficiência na geração e utilização da energia consumida. Reis e Silveira (2000) enumeram alguns pontos estratégicos na busca por soluções energéticas dentro do contexto de sustentabilidade, como introdução de tecnologias de energia renováveis em detrimento do consumo de combustíveis fósseis, aumento da eficiência energética, aumento da eficiência na produção industrial e transportes para minimizar o consumo de energia.
Também sugerem a redefinição das políticas energéticas de forma a viabilizar a
formação de mercados para as tecnologias “limpas”, paralelamente à cobrança de custos ambientais das alternativas mais poluentes.
Enfim, a ampliação das fontes renováveis de energia seria uma condição necessária, ainda que não seja a única, para reduzir os impactos ambientais globais verificados nas últimas décadas, conforme tem sido discutido na totalidade dos eventos internacionais sobre o tema. Neste sentido, a pesquisa e o desenvolvimento tecnológico desempenharão um importante papel na busca por novas fontes energéticas (Darzé, 2002).
Diversos estudos estão sendo realizados acerca das fontes alternativas de energia, considerando que em grande parte destas observa-se um resgate de antigas idéias concebidas outrora, porém revestidas de atualidades tecnológicas e com incremento de eficiência. Dentre essas fontes, a energia solar, eólica, hidráulica e maremotriz, embora conhecidas desde as primeiras civilizações, vem recebendo bastante atenção e incentivo, materializado em pesquisas e investimentos nos últimos 30 anos.
As fontes de energia primária podem ser classificadas como não-renováveis ou renováveis, no tocante à possibilidade de esgotamento ou extinção, e limpas e poluentes, em relação ao fato de produzirem ou não resíduos ou emissões ao meio ambiente. As fontes ditas não-renováveis são aquelas formadas pela natureza por processos lentos e caracterizam-se por estarem concentradas em reservas finitas. Dentre estas fontes estão o petróleo, o gás natural, a energia geotérmica e os combustíveis radioativos.
As reservas estimadas das fontes não-renováveis estão comparadas, na Figura 2.1, à produção anual das energias solar e derivadas: fotossíntese (biomassa), vento (éolica), ondas (derivada dos ventos) e ciclo hidrológico (hidráulica).
A principal diferença entre estas fontes e as renováveis reside no fato que suas reservas esgotam-se rapidamente em virtude da utilização acelerada pelo homem destes recursos e, desta maneira, impossibilitando sua recomposição pela natureza.
Contrariamente, as fontes alternativas constituem-se em uma opção ao paradigma vigente baseado em combustíveis fósseis e caracterizam-se pelo fato de serem energias limpas e renováveis. Nesta classificação estão a energia solar, eólica, hidráulica, das ondas, das marés e do hidrogênio. Ainda pode ser incluída como renovável, as energias provenientes da biomassa, que, entretanto, podem causar comprometimentos ao meio ambiente, como desertificação provocada pelo desmatamento não planejado ou exaustão do solo decorrente da monocultura, poluição provocada pela queima da biomassa com emissão de gases tóxicos e produção de resíduos.
Na Figura 2.2, as fontes de energia primária utilizadas mundialmente e o uso final desta energia são apresentados.
Figura 2.2: Consumo mundial de energia primária e seu uso final
Figura 2.1: Reservas estimadas e produção anual das fontes energéticas (WEC, 2004)
A matriz energética mundial é baseada na utilização de fontes não-renováveis, com a participação de 38% do petróleo e derivados, 26% de carvão mineral e 6% de combustível nuclear. A larga aceitação dos combustíveis fósseis em detrimento de outras fontes pode ser explicada pelo seu baixo preço praticado no mercado. Esse motivo, também, configura-se em um obstáculo para o desenvolvimento das tecnologias renováveis, uma vez que, não considerando seus aspectos ambientais positivos, estes não alcançam competitividade econômica.
De acordo com o Conselho Mundial de Energia (WEC), 1,6 bilhão de pessoas no mundo não têm acesso a uma energia moderna e comercial. A maior parte dessas pessoas vive em zonas rurais e comunidades isoladas de países em desenvolvimento, nas quais as perspectivas sociais e econômicas são extremamente reduzidas em função da carência de energia. As energias renováveis podem constituir-se em um vetor de desenvolvimento nessas regiões onde inexiste infra-estrutura adequada, entretanto, possuem fontes naturais evidentes para a produção de energia alternativa. Desta forma, a democratização do acesso à energia elétrica e a diversificação da matriz energética podem ser alcançadas através da aplicação de tecnologias de energia renovável.
O aproveitamento do comprovado potencial energético dos oceanos configura, atualmente, como uma possibilidade promissora para produzir energia limpa e sem impactos ao meio-ambiente. Marés, ondas e correntes marinhas são recursos renováveis cujo aproveitamento para a geração de eletricidade registra significativos avanços tecnológicos, encontrando respaldo nos princípios de acessibilidade, disponibilidade e aceitabilidade, propalados pelo Conselho Mundial de Energia (WEC, 2004) para o desenvolvimento de alternativas energéticas. A exploração da energia das marés já é uma realidade comercial na Europa, enquanto que conversores de energia das ondas encontram-se em pleno desenvolvimento no mundo, inclusive em fase inicial de comercialização.
Tabela 2.1: Comparação entre as fontes de energia primária (WEC, 2004) Tabela 2.1: Comparação entre as fontes de energia primária (WEC, 2004)
Fóssil Nuclear Hidro Solar Éolica Marés
Fonte Renovável
Baixo custo de
instalação Baixo custo de manutenção
Mínimo impacto ambiental
Mínimo impacto
visual Previsível Modular
2.2- Energia das Marés
Diariamente, o nível dos mares se altera, principalmente como conseqüência do fenômeno das marés. Este fato foi relatado, primeiramente, pelos romanos após suas incursões à Gália e Bretanha (França e Reino Unido atuais), pois ao contrário do mar Mediterrâneo, a variação da maré nesses litorais é bastante expressiva. Desde a ocupação romana na Inglaterra, vários moinhos foram construídos utilizando a força das marés para seu funcionamento.
O funcionamento dos moinhos de maré consistia no represamento da água durante a enchente para ser liberada durante a vazante, sendo a roda de água acionada pela passagem do fluxo.
O funcionamento básico dos moinhos de maré é descrito na Figura 2.2.
Na maré enchente, a comporta é aberta permitindo a entrada de água no reservatório. Quando a maré começa a baixar, as comportas são forçadas a fechar e a água armazenada encontra-se no mesmo nível alcançado pela preamar. Assim que o nível da maré está abaixo da roda de água, o moinho começa operar a partir da passagem do fluxo de água que faz girar as pás da roda.
As tecnologias para o aproveitamento da energia hidráulica inspiraram-se na irrigação, um dos usos mais antigos da água. Por volta do II século a.C., há o aparecimento dos primeiros moinhos movidos a água tanto no Ocidente como na China.
Por volta de 100 a.C., Vitrúvio, ilustre precursor da engenharia, instalou várias rodas de água, de modelo ainda rudimentar para o acionamento de alguns dispositivos mecânicos. Em sua principal obra, “De Architectura”, existem referências sobre moinhos acionados pelo efeito das marés.
Figura 2.3: Funcionamento do moinho de maré (Fonte: Clark et al., 2003)
Embora os romanos conhecessem e usassem as rodas hidráulicas, como fonte de energia mecânica, não exploraram muito o seu uso, pois contavam com abundantes escravos. Durante a ocupação romana da Grã-Bretanha, vários moinhos foram construídos com o objetivo de moer grãos.
Os saxões foram os responsáveis pela popularização da energia hidráulica na Grã-Bretanha. As evidências mais antigas, encontradas em documentos, são as de uma concessão dada pelo rei Etelberto de Kent em 762 d.C. Os moinhos de água constituíram-se em uma revolução tecnológica ocorrida na Idade Média, possibilitando a multiplicação das forjas para a fabricação do ferro, além das funções de moer grãos, peneirar a farinha, torcer os lençóis, fabricar papéis entre outros.
Há notícias do mais antigo moinho de maré, construído em 787 d.C., localizado na região monástica de Nendrum, Irlanda (Figura 2.4). Na margem próxima ao lado nordeste do local, existe uma parede de enrocamento paralela à linha de costa, que se estende por aproximadamente 120 m e está a uma distância de 20 m da linha de preamar. Nas escavações foram encontradas as pás de madeira pertencentes à roda d’água. O moinho era utilizado para moer grãos.
Outros moinhos de maré foram construídos em vários países da Europa, durante a Idade Média. Na Inglaterra, entre 1066 e 1086, um moinho foi construído na entrada do porto de Dover. A partir do século XII, outros moinhos foram tomando lugar ao longo do litoral atlântico da Europa, na França, no país Basco, no norte da Espanha e Portugal. O único moinho desta época que ainda está em operação é o Elling Mill,
Figura 2.4: Moinho de maré no local monástico de Nendrum, Irlanda (Fonte: ERIH, 2006)
Em 1613, foi estabelecido o primeiro moinho de maré no continente americano.
O moinho foi construído pelos franceses com auxílio dos índios Micmac, em Port Royal, atualmente na região de Annapolis Royal, onde está localizada hoje uma usina maremotriz. Sucessivamente, regiões da Nova Inglaterra, Nova York, Passamaqoddy (atual EUA) receberam aproveitamentos deste tipo (Charlier & Menanteau, 1997).
Forest de Bélidor, professor da escola de artilharia de La Fère (França), em sua principal obra Traité d’architecture hydraulique, realizou um estudo conciso sobre o aproveitamento da energia cinética das marés. Nesta obra, é apresentado um sistema que permite uma geração contínua de energia, através da utilização de duas bacias ou reservatórios operando simultaneamente.
Durante as revoluções industriais, novas fontes de energia foram incorporadas, ocasionando extraordinário desenvolvimento dos processos produtivos. A utilização de moinhos hidráulicos, eólicos ou de maré foi drasticamente reduzida em virtude da sua substituição por dispositivos alimentados por carvão, petróleo ou eletricidade.
A euforia causada pela introdução dessas novas fontes de energia associada à invenção de novas máquinas que revolucionaram a forma de produzir da humanidade, impossibilitou que os efeitos deletérios do uso indiscriminado dos combustíveis fósseis fossem percebidos. Entretanto, nas últimas décadas, a constatação de problemas ambientais a nível mundial, como a poluição do ar e da água, o efeito estufa, as mudanças climáticas e a chuva ácida, fez despertar novamente o interesse pelas energias renováveis e não-poluentes como alternativas àquelas fontes utilizadas até então.
Recentemente, a energia das marés vem sendo utilizada para a produção de energia elétrica em grandes escalas com maior eficiência. Existem, basicamente, duas formas de aproveitamento da energia das marés: utilizando a subida e descida do nível do mar, para extrair sua energia potencial ou empregando o fluxo e refluxo das marés para extrair a energia cinética das correntes.
A exploração dos estuários para obtenção de energia das marés através da construção de barragem é bem recente. O primeiro projeto de uma barragem sobre o estuário do rio Severn, Reino Unido, data de 1849 e a implantação de uma usina maremotriz por parte do ministério dos transportes britânico data de 1920. Durante as décadas de 1920 e 30, diversos conceitos para a extração de energia maremotriz em
estuários foram propostos no Reino Unido (Severn e Mersey), França (La Rance) e nos EUA (Passamaquoddy).
Finalmente, em 1966, após muitos anos de pesquisas, foi construída a Usina de La Rance, na região da Bretanha, França, sendo a primeira usina maremotriz de grande escala para fins comerciais.
2.3- Fundamentos da energia das marés
As energias solar, eólica, hidráulica e do mar são fontes alternativas que têm como características o fato de serem renováveis e limpas, ou seja, não se esgotam e não produzem resíduos ou emissões ao ambiente. A maior parte desses recursos é originada da energia do sol, havendo concentração dessa energia nos processos de formação dos ventos, ondas, correntes e do ciclo hidrológico.
A energia solar que incide anualmente sobre a superfície terrestre é estimada na ordem de 6 x 1014 MWh. Os oceanos, com uma superfície de 361 milhões de km² e um volume de 1.370 milhões de km³, atuam como sistemas coletores e de armazenamento (Díez, 2002). A energia contida nos oceanos manifesta-se de diversas formas: ondas, marés, correntes marinhas, gradientes térmicos e gradientes de salinidade.
Os recursos energéticos dos oceanos são comprovadamente fontes viáveis de exploração. A água do mar é, em média, 835 vezes mais densa do que o ar, o que significa que há maior concentração de energia nos recursos oceânicos. A energia das marés é originada a partir dos campos gravitacionais da lua e do sol e tem um potencial mundial estimado em 3 TW.
Embora o potencial mundial das marés seja cerca de 3 TW, somente parte deste potencial pode ser convertido, em virtude da dispersão de energia em mar aberto e conseqüentes alturas de marés modestas para exploração. Desta forma, estima-se que somente 2 a 10% do potencial poderia ser explorado, em determinados locais junto à linha de costa ou em estuários, onde as alturas de maré sejam adequadas para a implantação de uma usina. Os principais parâmetros para o aproveitamento da energia talassométrica são suficientes alturas de maré em locais favoráveis aos trabalhos de engenharia e proximidade do mercado consumidor de eletricidade (Charlier, 2003).
Todavia, devido ao impulso das energias renováveis, verificado nas últimas décadas, a concepção de usinas de grande porte que centralizam a produção de eletricidade e reduzem os custos, vem perdendo espaço para pequenas usinas descentralizadas, que aproveitam recursos considerados outrora não apropriados e, principalmente, que produzem menos impactos ambientais, antrópicos e econômicos.
Em relação ao aproveitamento maremotriz, Charlier (2003) afirma que os desenvolvimentos da tecnologia de turbinas de baixa queda têm permitido que centenas de outros locais tornem-se favoráveis à exploração de energia.
Outra tendência atual nos aproveitamentos hidrelétricos, inclusive maremotriz, é a reutilização de antigas estruturas como pontes, barragens e eclusas, para a construção de usinas de pequeno porte. Na Figura 2.5, alguns exemplos curiosos de antigas estruturas que se tornaram pequenas hidrelétricas são apresentados.
As marés têm amplitude nula em mares interiores como o mar Negro, entre a Rússia e a Turquia, ou o mar Báltico, entre a Suécia e os países Bálticos. No mar Mediterrâneo, a altura de maré tem valores desprezíveis, cerca de 20 a 40 centímetros, sendo por esta razão que as antigas civilizações da Antiguidade, praticamente, não tinham conhecimento acerca do fenômeno. Contrariamente ao oceano Pacífico, que possui modestas alturas de maré, no oceano Atlântico são verificadas as maiores marés.
A maior maré registrada no litoral atlântico está na província de Santa Cruz, Argentina, onde a maré pode alcançar 14 metros de altura. Todavia, as marés podem ser ainda maiores quando se propagam em baías e estuários, como ocorre na baía de Fundy,
Figura 2.5: Exemplos de aproveitamentos de antigas estruturas (a) Turbina Salto do Pirineo instalada em um castelo na Espanha
(b) Turbinas Hidromatrix da VATECH instalada em uma eclusa de navegação na Áustria
(a) (b)
Canadá, com alturas até 15 metros, no estuário do Severn, Grã-Bretanha, com alturas de 13,6 metros ou no estuário do Rance, com alturas de 13,5 metros.
Na Tabela 2.2, o potencial de energia das marés nos países europeus, onde esse recurso é significativo, foi estimado através de uma abordagem paramétrica (Baker apud Hammons, 1993). Esse potencial é principalmente composto pelas marés da Grã- Bretanha e França e, em menor parte, pela Irlanda, Holanda, Alemanha e Espanha. Por outro lado, não há potencial expressivo nos países escandinavos, países bálticos, Portugal, Itália, Grécia e outros países mediterrâneos por possuírem baixas alturas de maré.
País
Recurso disponível teoricamente
GW TWh/ano
% do total europeu
Reino Unido 25,2 50,2 47,7
França 22,8 44,4 42,1
Irlanda 4,3 8 7,6
Holanda 1 1,8 1,8
Alemanha 0,4 0,8 0,7
Espanha 0,07 0,13 0,1
Total Europa Ocidental 53,8 105,4 100
Em outras regiões do mundo, os levantamentos são escassos para a elaboração de estimativas confiáveis. Acredita-se que o potencial mundial é cerca de 5 a 10 vezes aquele da Europa Ocidental, ou seja, 500 a 1.000 TWh/ano. Na Figura 2.6, os principais locais apropriados para o aproveitamento da energia das marés são apresentados.
ArArggeennttiinnaa
AAuussttrráálliiaa R
Rúússssiiaa
F Frraannççaa
R
Reeiinnoo UUnniiddoo
A Allaassccaa
CCaannaaddáá
BBrraassiill
Í Ínnddiiaa
C Coorrééiiaa
C Chhiinnaa E
EUUAA
Tabela 2.2: Potencial de energia de marés na Europa Ocidental
Existem poucos lugares adequados no mundo para a exploração da energia das marés. O principal fator condicionante é a altura da onda da maré, que implica na utilização de turbinas hidráulicas de baixa queda. Alguns exemplos de usinas existentes no mundo, tanto de caráter experimental quanto comercial, são La Rance de 240 MW na França, Annapolis de 20 MW no Canadá, Jiangxia de 3,2 MW e Kislaya de 0,4 MW na Rússia. Recentemente, com o desenvolvimento da tecnologia de turbinas de baixa queda, muitos outros locais podem ser interessantes para o aproveitamento da energia das marés (Charlier, 2003).
No Brasil, existem possibilidades no Amapá, Pará e Maranhão, onde são observadas as maiores amplitudes de maré em território nacional (Eletrobrás, 1981). Em 1968, no estado do Maranhão, foi construída uma barragem sobre o rio Bacanga com o principal objetivo de diminuir a distância da capital São Luís ao porto de Itaqui. O aproveitamento da energia das marés foi vislumbrado na época da construção da barragem, fortemente influenciado pela construção da usina de La Rance na França em 1966. Entretanto, face aos custos e à viabilidade técnica, os equipamentos para a geração nunca foram instalados. A usina se fosse implementada como planejado, seria a segunda maior do mundo (Charlier,1997).
Na década de 1970, a ocupação urbana no entorno do reservatório, o assoreamento e a degradação dos equipamentos da barragem tornaram mais crítico um possível aproveitamento daquele estuário para a geração de energia elétrica. Neste trabalho, são discutidas concepções alternativas para exploração da energia das marés no estuário do rio Bacanga, estado do Maranhão, Brasil.
2.4 - Aproveitamento da Energia das Marés
Ao redor do mundo, aproximadamente 3 TW de energia são continuamente disponibilizados pelas marés. Entretanto, devido às restrições de que poucos locais possuem alturas de marés adequadas ao aproveitamento, é estimado que somente 2% ou 60 GW podem ser convertidos em geração de energia.
A energia das marés pode ser extraída de dois modos: conversão da energia potencial, através da construção de uma barragem para criar um reservatório, havendo desnível entre estuário e reservatório; ou pela conversão da energia cinética das correntes de maré.
A energia potencial pode ser definida como a energia contida num corpo de massa m que esteja a uma altura h do campo gravitacional de aceleração g, conforme a equação:
mgh
EP = (2.1) A energia cinética, por sua vez, pode ser definida como a energia dispendida no movimento de um corpo de massa m com uma velocidade v, de acordo com a equação:
2 mv2
EC = (2.2) Na hidráulica, geralmente, a massa m é substituída pelo produto de sua massa específica pelo seu volume ρV, tornando as fórmulas de energia potencial e cinética desta forma:
Vgh
EP =ρ (2.3)
2 Vv2
EC ρ
= (2.4) Em relação às marés, as equações (2.3) e (2.4), podem ser modificadas em virtude das peculiaridades do fenômeno. Na equação da energia potencial, o volume de água ou prisma de maré V é transformado no produto da área do espelho de água do estuário AR pela altura da maré h e, então, substituindo ρg:
EP = 10,15 AR h² (kJ) (2.5a) P = 225 AR h² (kW) (2.5b) Pode ser observado na equação (2.5), que a energia potencial em um estuário que sofra barramento será proporcional ao produto da área do reservatório criado e do quadrado da altura da maré.
No caso de um aproveitamento ao largo, a massa de água encontra-se em movimento, podendo, então, haver extração de sua energia cinética. O volume da massa de água V é decomposto na área transversal do fluxo AT e distância percorrida durante o fluxo s, que dividida pelo tempo necessário para percorrê-la, torna na fórmula de potência o termo de velocidade cúbico:
EC = 0,5 AT s v² (kJ) (2.6 a)
A potência e energia potencial do movimento das marés, durante seu ciclo de, aproximadamente, 6,2 horas, podem ser calculadas pelas equações (2.7):
∫
= R H
P A g hdh
E
0
ρ (2.7 a)
T hdh g A P
H
R
∫
= 0
ρ
(2.7 b)
onde AR é a superfície do reservatório em km²; H é a altura da maré em m; h é a queda em metros; g é a aceleração da gravidade em m/s²; ρ é a massa específica da água do mar em kg/m³ e T é o ciclo da maré em segundos.
A energia extraída no esvaziamento do reservatório pode ser expressa como:
Eesv =ρg
∫
0HA(h)hdh (2.8)A energia extraída no enchimento do reservatório pode ser expressa como:
∫
−= H
ench g A h H h dh
E ρ 0 ( )( ) (2.9) A energia total possível de ser extraída num ciclo completo será:
∫
= +
= esv ench H
Total E E gH A h dh
E ρ 0 ( ) (2.10) Fazendo A(h) constante ao longo da altura h, igual a AR, e a expressão do
volume V considerada na equação (2.11):
∫
= H
R A h dh
V 0 ( ) (2.11) Então:
) (
226 2
2A A H kWh
gH gHV
ETotal = ρ =ρ R = R (2.12)
Entretanto, apenas 30% pode ser de fato absorvido, por exemplo, num reservatório unitário de 1 km², a capacidade em kWh, produzida nas maiores marés, será:
) ( 311A H2 kW
Punit = R (2.13)
E a máxima vazão turbinada, em m³/s, será:
) / (
57 3
max A H m s
Q = R (2.14) As usinas maremotrizes podem ter seu funcionamento de efeitos simples ou duplo, isto é, geração de eletricidade só na maré enchente ou vazante ou em ambas, aumentando a produção. Pode haver ou não bombeamento, durante as horas de espera, para otimizar o nível do reservatório.
Na geração de simples efeito durante a vazante da maré, o enchimento do reservatório ocorre entre a baixamar e a preamar, mantendo as comportas abertas. Após a preamar, o reservatório é esvaziado fazendo com que a água passe pelas turbinas (Figura 2.8).
Quando a maré sobe, abrem-se as comportas para o enchimento do reservatório, quando a maré começa a baixar, as comportas são fechadas e espera-se um tempo, cerca de 3 horas, para obter o desnível necessário para a geração. Alternativamente, pode haver bombeamento para otimizar o armazenamento do reservatório.
Na geração durante a enchente da maré, o enchimento do reservatório ocorre Figura 2.7: Ciclo de simples efeito – reservatório simples
Figura 2.8 – Funcionamento em simples efeito, geração na vazante (Fonte: Díez, 2002)
eficiência é menor do que na geração durante a vazante, porque o reservatório funciona com níveis menores e o armazenamento de água é menor. Após esse período, durante 5 a 6 horas, ocorre a turbinagem da água havendo geração de energia elétrica (Figura 2.9).
Consequentemente, o período de geração na maré vazante, ao longo do dia, é de 10 a 12 horas. Ao passo que, na enchente, o período de geração é da ordem de 8 a 10 horas, em virtude do menor armazenamento do reservatório nesta modalidade.
Na geração de duplo efeito (Figura 2.10), a energia é produzida durante ambas as marés, enchente e vazante. Neste caso, podem ser empregadas turbinas reversíveis, não-reversíveis com sistemas de canais e comportas ou ainda duas séries de turbinas não-reversíveis. A quantidade de energia convertida é menor do que no simples efeito, devido a menor diferença de níveis entre o mar e o reservatório. O rendimento também é reduzido em função da impossibilidade de otimizar as turbinas e a vazão aduzida.
O fator de utilização da usina, apesar das limitações, ainda é maior que na geração de simples efeito, em cerca de 18 %. O período de geração é da ordem de 12 a 14 horas por dia, com tempos de espera de 2 a 3 horas por ciclo de maré (Díez, 2002).
Figura 2.9 – Funcionamento em simples efeito, geração na enchente (Fonte: Díez, 2002)
Figura 2.10 – Funcionamento em duplo efeito
Adicionalmente, alguns projetos foram concebidos com a utilização de múltiplos reservatórios, para garantir menor intermitência na geração de energia (Figura 2.11).
Esses esquemas configuram-se por dois ou mais represamentos que operam de maneira alternada, frequentemente sendo realizado bombeamento entre os represamentos. Em contrapartida, os custos das obras civis, devido à construção de diques, barragens e comportas, são proporcionais à sofisticação do sistema, acarretando na sua inviabilidade econômica.
No final do século XIX e início do século XX, foram desenvolvidos diferentes conceitos para o aproveitamento maremotriz, combinando os diferentes tipos de geração com a quantidade de reservatórios e o arranjo dos equipamentos geradores e obras civis.
Alguns desses conceitos são descritos a seguir (Eletrobrás, 1981):
a) Bacia dupla com geração em simples efeito, casa de força na barragem principal Esse esquema foi idealizado por Bernshtein em 1946, e consiste na utilização de um reservatório dividido em duas bacias simples, uma superior e uma inferior, separadas por um dique. A casa de força é comum às duas bacias, situada na barragem principal. A operação é em simples efeito, porém por um período mais longo, alternando a geração com a bacia superior, inferior e o mar. Embora a potência da casa de força seja reduzida à metade, a energia extraída é a mesma, pois cada bacia produz metade da energia total. A eficiência do esquema é de 38 %, em função do maior tempo de geração. Outra vantagem é a redução do fator de carga da casa de força. Por outro lado, esse esquema não foi considerado em nenhum projeto, tratando-se apenas de um esquema teórico.
Figura 2.11 – Esquema de reservatórios múltiplos (Fonte: Díez, 2002)
b) Bacia dupla com casa de força na barragem de separação
Esse esquema foi proposto por Decoeur em 1890, que também foi responsável pela patente das turbinas hidráulicas para o aproveitamento de marés nos estuário do Sena. Trata-se de uma variante do esquema de Bernshtein 1946, onde a casa de força está localizada na barragem de separação. A geração ocorre apenas entre as bacias inferior e superior, enquanto o mar preenche a bacia superior na enchente e a bacia inferior é esvaziada para o mar na vazante. Sua vantagem é a produção contínua ao longo do dia, porém não é capaz de compensar as desigualdades mensais da maré.
c) Bacia dupla com duas casas de força e estação de bombeamento na bacia superior Nesse esquema, também conhecido como esquema Claude de 1920, as casas de força são independentes para cada bacia e o nível do reservatório superior é otimizado com o bombeamento, realizado pela turbinas reversíveis da casa de força superior.
Caquot e Defour, em 1935, propuseram um esquema de bacia dupla em simples efeito, utilizando bombeamento. Bernshtein, em 1947, apresentou outro esquema de bacia dupla. Defour propôs outros esquemas, em 1920 e 1925 combinando reservatórios múltiplos e bombeamento (Eletrobrás, 1981). O aperfeiçoamento desses esquemas objetivava compensar as flutuações de geração de energia, tornando-a mais constante.
Todavia, a sofisticação imposta nesses projetos, representada por aumento das obras civis, duplicação dos equipamentos geradores entre outros, acarretou na elevação dos custos e na inviabilidade econômica de sua construção.
Nos estudos sobre o aproveitamento maremotriz na Baía de Fundy, Canadá, a partir de 1977, a proposta central era a redução dos custos de geração de energia, o que conduziu ao abandono dos esquemas mais complexos e a adoção de um esquema mais simples, onde a compensação dos períodos de não geração fosse feita externamente à usina. O esquema adotado na usina resultante desses estudos, Annapolis Royal, foi o de bacia simples operando em simples efeito, além da integração no sistema elétrico para compensação dos períodos em que não havia geração.
O funcionamento das usinas maremotrizes é condicionado às características do fenômeno da maré, notadamente, as variações diárias e mensais. Ao longo do dia, em regiões de maré semidiurna, o ciclo de maré se repete duas vezes, resultando em duas preamares e duas baixamares. Desta forma, a potência teórica da usina varia a cada instante e torna-se nula quando os níveis do lado interno e externo da barragem se
igualam. Ao longo do mês, em função das posições relativas do sistema Terra, lua e sol, as amplitudes de maré variam a cada ciclo, havendo duas marés de sizígia e duas marés de quadratura. Como conseqüência, a geração de energia durante a maré de sizígia é superior do que aquela gerada durante a quadratura.
Essas características de intermitência das marés sugerem uma integração da usina a outras formas de geração elétrica, sejam termelétricas, hidrelétricas ou outra fonte renovável, ou ainda, diretamente, ao sistema de transmissão de energia elétrica.
Entretanto, o principal problema em integrar uma usina maremotriz diretamente ao sistema reside no fato de que a entrada de energia no sistema não é contínua, traduzida em picos de geração alternando com períodos de não geração. Além do mais, a energia disponibilizada pela usina nem sempre coincidirá com a demanda do mercado consumidor. Obviamente, uma usina maremotriz de pequeno porte integrada a um grande sistema elétrico não apresentaria problemas tão graves.
As contribuições de energia de uma usina maremotriz, quando integrada ao sistema elétrico, poderiam ser utilizadas para reduzir a carga sobre usinas “velhas” de base de maior custo de geração, geralmente termelétricas de carvão. O caráter preditivo das usinas maremotrizes possibilita, quando sua contribuição está bem planejada no sistema, a redução do consumo de combustíveis fósseis em usinas termelétricas, propiciando, assim, economia na geração e vantagens ambientais (Elliot, 2004).
No caso particular do Brasil, que possui sua matriz de eletricidade baseada na energia hidráulica, a sugestão de integração entre usinas maremotrizes e hidrelétricas é bastante interessante. A operação da usina maremotriz, em virtude das suas variações diárias e mensais, possibilita que a usina hidrelétrica pare de funcionar nos períodos de geração da primeira. Durante este tempo, a hidrelétrica poderia recuperar os níveis de seu reservatório e operar posteriormente com maior eficiência. O artifício poderia ser empregado tanto em relação aos períodos de geração e não geração diária, quanto às flutuações mensais das marés de sizígia e quadratura, nas quais a hidrelétrica trabalharia com maior ou menor carga (Eletrobrás, 1981).
A simbiose estabelecida por essa integração, por um lado, minimiza as flutuações na geração maremotriz e, por outro, resguarda a usina hidrelétrica de funcionar em determinados períodos para, em outros, operar com melhor eficiência.
Desta forma, a usina hidrelétrica diminui a sua dependência em relação ao volume de
precipitações ao longo do ano, uma vez que, pode considerar a operação prevista da usina maremotriz (Eletrobrás, 1981).
A energia total dissipada pelas marés é estimada em 3 TW, dos quais cerca de 1 TW está disponibilizado nas regiões próximas ao litoral. Claramente, maiores estudos são necessários para determinação do potencial teórico de cada região no mundo, como o conhecimento da morfologia costeira, das elevações de maré, batimetria e topografia das áreas entre outros. Diversos autores diferem em suas pesquisas sobre os sítios potenciais, por vezes, incluindo ou excluindo determinada região, em função da abrangência de sua pesquisa ou disponibilidade de fontes confiáveis.
Obviamente, o potencial teórico de 1 TW dissipado em águas rasas não poderia ser inteiramente aproveitado, em virtude das especificidades do local desde aspectos físicos e morfológicos até fatores econômicos como a proximidade do mercado consumidor. Jackson apud Boyle (1992) estima em 100 GW a parte do recurso viável a ser explorada. Os fatores determinantes para a escolha dos sítios potenciais ao aproveitamento maremotriz são, basicamente, a altura das marés, a área do reservatório, o comprimento da barragem e a proximidade do mercado consumidor. Os valores de alturas de marés, apontados por literatura específica, para o aproveitamento hidroenergético situa-se entre 3 e 5 metros (Charlier, 2003, Eletrobrás, 1981). Este valor está condicionado ao equipamento gerador a ser empregado no projeto, portanto sua flexibilização torna-se possível com os avanços na tecnologia de turbinas hidráulicas.
Para a avaliação do local pode ser considerado um coeficiente, introduzido por Robert Gibrat, construtor da usina de La Rance, que expressa a razão entre o comprimento da barragem e a energia produzida. Os sítios mais apropriados para a implantação possuem os menores valores do coeficiente de Gibrat.
Ao redor do mundo, alguns sítios potenciais foram investigados quanto à implantação do aproveitamento de energia das marés utilizando o esquema de barragem.
A Tabela 2.3 enumera alguns sítios potenciais ao aproveitamento maremotriz.
Estudos mais profundos foram realizados para elaboração dos projetos de La Rance e Aber-Wrac’h (França), Severn e Mersey (Reino Unido), San José e Cabo Três Puntas (Argentina), Baía de Fundy (Canadá), Passamaquoddy (EUA), Kimberleys (Austrália), Kyslaya, Mezen e Tugur (Rússia), rio Colorado (México), Jiangxia (China), Duguardani (Índia), Bacanga (Brasil) e Sihwa (Coréia do Sul) (Charlier, 2003, WEC, 2004).
A seguir, são descritas as principais realizações e projetos de aproveitamnetos maremotrizes ao redor do mundo.
La Rance, França
Dentre as realizações ao redor do mundo, a maior usina maremotriz de caráter comercial é de La Rance, localizada na região da Bretanha, França. A usina aproveita o potencial do estuário do rio Rance e foi comissionada em 1966, materializando várias iniciativas propostas anteriormente. A região da Bretanha houvera sido observada em relação ao aproveitamento das grandes marés que lá existem. Desde o século XII,
Tabela 2.3: Sítios potenciais para o aproveitamento maremotriz (Fonte: WEC, 2004)
diversos moinhos de maré funcionaram neste litoral, porém somente em 1921, surgiu a iniciativa de Gerard Boisnoer para a conversão da energia do estuário de La Rance.
Uma medida importante, para a viabilização dos projetos de energia das marés nesta região, foi a criação da Sociedade de Estudos para Utilização das Marés (SEUM), em 1943. Posteriormente, a sociedade foi absorvida pela Eletricité de France (EDF).
Somente em 1952, houve a permissão por parte do governo francês para a construção da usina. Sua construção demorou cerca de 6 anos, de 1961 a 1966, quando foi inaugurado pelo então presidente Charles de Gaulle e, em 1967, entrou em operação a última unidade da usina.
A potência nominal da usina de La Rance é de 240 MW e as alturas de maré no estuário alcançam 13,5 metros (Figura 2.12). A usina está localizada entre a ponta de Briantais, na margem esquerda do estuário, e a ponta de Brebis, na margem direita.
Neste lugar, o estuário tem uma largura de 740 m, que é o comprimento da barragem.
Esta ainda possui uma auto-estrada que liga as cidades de Dinard e Saint-Malo, uma eclusa de navegação na ponta de Brebis e um dique, responsável pelo fechamento da usina com a ilha Chalibert. A casa de força é equipada com 24 unidades geradoras, cada uma com 10 MW de potência.
O rio Rance é um pequeno rio de cerca de 100 km que desemboca no canal da Mancha, onde o seu estuário é bastante influenciado pelo prisma de maré. A usina foi construída a 4 km da desembocadura, onde o leito do rio é constituído por um granito de qualidade média suficiente para suportar as obras civis (Villalba, 1997).
Figura 2.12: Usina maremotriz de La Rance, França – localização e imagem aérea
A barragem é composta por uma eclusa, a usina, um dique de fechamento e uma barragem móvel. A usina, propriamente dita, tem extensão de 386 metros de comprimento, onde estão localizados os 24 grupos geradores (Figura 2.13). Em seguida, um dique de 164 metros realiza o fechamento da usina até a ilha Chalibert. Na margem direita, está localizada uma barragem móvel de 115 metros composta de seis vertedouros-orifícios dotados de comportas tipo vagão de 15 x 10 metros. A capacidade de vertimento para um desnível de 1 metro entre o mar e o reservatório é de cerca de 5.000 m³/s.
Os grupos geradores são equipados com turbinas bulbo (Figura 2.14), um tipo de turbina especialmente desenvolvido para o aproveitamento de La Rance. Tais turbinas têm a característica de serem reversíveis, por isso podem operar em ambos os sentidos de geração e também são duplamente ajustáveis nas pás e no distribuidor, o que garante a compensação da variação da vazão e da carga hidráulica. Essas unidades ainda podem ser usadas como bombas e como órgãos descarregadores nos dois sentidos de escoamento.
O projeto das unidades geradoras iniciou-se em 1951, cuja idéia inicial Figura 2.14: Turbina bulbo empregada na usina de La Rance
Figura 2.13: Barragem da usina maremotriz de La Rance
em um nível acima daquele máximo alcançado pela água. O obstáculo encontrado nesta configuração era a necessidade de fundir a roda Kaplan, desde que se desejava aumentar a velocidade de rotação, até uma profundidade incompatível com a coluna de água existente para evitar a cavitação. Com a adoção das turbinas bulbo, o gerador está debaixo da água protegido por uma carcaça e o seu eixo é horizontal, que desta forma, eliminam os problemas encontrados anteriormente (Villalba, 1997, Eletrobrás, 1980).
O funcionamento da usina é descrito na Figura 2.15.
Quando a maré está baixa, o nível de água do reservatório é o mesmo do lado externo, as comportas são fechadas até que o desnível entre o mar e o reservatório seja suficiente para operarem os grupos geradores. No nível máximo da maré, os grupos geradores param de funcionar até que o nível do mar baixe o suficiente para haver geração no sentido inverso, isto é, reservatório-mar.
A construção da usina foi realizada inteiramente a seco, para tanto era necessário interromper o fluxo de água entre o rio e o mar, estimado em cerca de 18.000 m³/s. A solução encontrada foi a utilização de caixões cilíndricos de concreto armado. Esta compreendeu três etapas: o ensecamento de uma área na margem esquerda para a construção da eclusa, outra área na margem direita para a barragem com comportas e uma grande área para a central hidrelétrica e o dique de fechamento, o qual utilizou as rochas provenientes da escavação da central.
(a) Níveis de água no estuário e mar (b) Potência instantânea Figura 2.15: Funcionamento da usina de La Rance
(a)
(b)
A construção da eclusa procedeu-se de maneira mais simples, através de um muro de concreto erguido durante a baixamar, que possibilitou a execução dos trabalhos a seco. Para a construção tanto da barragem como da central, utilizou-se um sistema de ensecadeiras compostas por caixões cilíndricos de concreto armado. Posteriormente, as ensecadeiras da grande área central apresentaram problemas de instabilidade, os quais foram vencidos pela união de cada dois caixões vizinhos e preenchimento dos espaços entre eles com pranchas de concreto armado (Villalba, 1997).
Em março de 1966, a usina estava concluída, sendo inaugurada em novembro pelo presidente da república Charles de Gaulle. Acreditava-se na época que a usina poderia ser a pioneira de uma solução contrária à proliferação da energia nuclear. O custo de construção da usina foi de 617 milhões de francos, equivalentes hoje a 534 milhões de euros. O custo de produção de 1 kWh é avaliado em 12 centavos de euro (Techno-science, 2007).
Kislaya Guba, Rússia
No litoral da antiga União Soviética, devido ao grande potencial maremotriz, estimado em 210 milhões de GWh/ano (Charlier e Justus, 1993), sempre houveram iniciativas para projetos de usinas que aproveitassem este potencial. O primeiro projeto neste sentido, remonta à década de 1940, e consistia na instalação de uma central maremotriz de 1,3 MW em Kislaya Guba, perto de Murmansk, no mar de Barents.
Entretanto, somente na década de 1960, após o crescimento da demanda por energia na União Soviética européia, decidiu-se implantar uma usina piloto com vistas a futuros aproveitamentos desta fonte (Figura 2.16).
