Geração de Energia Elétrica

Geração de Energia Elétrica

Através dos Oceanos

Através dos Oceanos

Aproveitamento Energético e Aspectos Tecnológicos

Marcus Vinicius de Oliveira Engenheiro Eletricista - UFMG

Energia dos Oceanos

Formas de aproveitamento

Nos oceanos existem basicamente quatro formas de aproveitamento energético.

• Energia das Ondas

• Energia das correntes oceânicas • Energia das correntes oceânicas

• Energia das Marés

• Gradiente vertical de temperatura

Atualmente os tipos mais difundidos são: Energia das Ondas e Energia das Marés.

Aproveitamento Energético

Modelagem das Ondas

• Forma mais simples: Ondas senoidais com amplitude e período fixos

( )

sin

(

)

X t

=

A

ω

t

−

kx

2

π

ω

=

2

_k

₌

2

π

_{(Número de onda)}

T

π

ω

=

_k

2

_{(Número de onda)}

L

π

=

( )

coth

( : profundidade)

k

kh

h

g

ω

=

• Forma mais realista: Soma de ondas senoidais

Aproveitamento Energético

Equação de um oscilador e conversão de energia

(

)

d x

dx

m

A

f

B

gSx

f

dt

dt

ρ

+

=

−

−

+

x

: Representa a inércia da água na vazinhança do corpo C A

Sistema de conversão (*)

C

m

: Representa a inércia da água na vazinhança do corpo C : Coeficiente de amortecimento A B : Força de excitação d f

: Força de reação da conversão de energia

d

f

Técnica: Estudar a equação (*) no domínio da frequência

Aproveitamento Energético

Equação de um oscilador e conversão de energia

• A potência que pode ser extraída depende da frequência das oscilações

2 2

1

8

2

2

F

B

P

F

j X

B

ω

B

=

−

−

• A potência máxima ocorre em uma frequência específica e vale:

2 max

1

8

P

F

B

=

: Frequência para a qual a potência é máxima K: Constante que depende da construção da boia

gS K m A ρ ω _{= } + _ +  

Objetivo: Projetar um dispositivo de conversão de energia que consiga extrair a máxima energia da onda

Modo Natural (ressonância)

Aproveitamento Energético

Curva de extração de potência

* g

T T

a =

Figura 1: Curva de extração de potência a

: Raio da boia suposta esférica T : Período da onda

a

• Pode ser necessário uma boia muito grande (de 20 a 50 m) para atingir o máximo de potência dada a frequência das oscilações típicas

Aproveitamento Energético

Questão 1

Por que ao diminuir o período (aumentar a frequência a

potência não aumenta nem mesmo teoricamente ?

Aproveitamento Energético

Resposta

• O modelo do oscilador considera o fato de que o corpo não consegue acompanhar a dinâmica da oscilação para uma frequência muito elevada

(

)

d x

dx

m

A

f

B

gSx

f

dt

dt

ρ

+

=

−

−

+

(

)

dt

dt

Aproveitamento Energético

Controle

• A frequência para a qual ocorre a RESSONÂNCIA é a frequência natural de oscilação do sistema.

(

)

d x

dx

m

A

f

B

gSx

f

dt

dt

ρ

+

=

−

−

+

(

m

A

)

f

B

gSx

f

dt

dt

ρ

+

=

−

−

+

• A frequência de reação pode ser utilizada para fazer com que a frequência de oscilação seja a frequência da onda

Aproveitamento Energético

Controle

Boia

r

Aproveitamento Energético

Múltiplos flutuadores (boias)

• Cada um extrai uma potência relativamente baixa.

• O conjunto conduz a um melhor aproveitamento energético • Utilização de flutuadores não-esféricos.

Vídeo

Aproveitamento Energético

Variação da Potência com a profundidade

• O período da onda aumenta com a profundidade. Assim, a potência máxima disponível aumenta com a profundidade

• A energia contida nas águas profundas é cerca de 3 a 8 vezes a energia contida nas ondas da costa.

• Utilizando as técnicas de controle é possível atingir a frequência de ressonância. Logo é mais interessante operar em águas profundas.

Aproveitamento Energético

Custo de conversão e transmissão

• Os custos de conversão e transmissão são diretamente proporcionais à distância da costa.

Profundidade

Tecnologias

Centrais Coluna de Água Oscilante (CAO)

• Fixa ou flutuante

• Turbina a ar reversível.

Tecnologias

Centrais Coluna de Água Oscilante (CAO)

• É atualmente a mais estudada. • Central piloto de Açores:

400kW

12m x 12m x 8m.

Dimensão da turbina: 2,5m.

Figura 5. Central piloto em Açores Dimensão da turbina: 2,5m.

Gerador assíncrono.

• Sistema de eletrônica de potência para ajuste de frequência.

• Responsável: Instituto Superior Técnico em parceria com empresas privadas portuguesas e britânicas.

Tecnologias

Centrais Coluna de Água Oscilante (CAO)

• As CAOs flutuantes são bastante promissoras, pois é possível construir uma

coluna de água controlável, de forma a se aproximar mais da ressonância

Figura 6. CAO flutuante Figura 7. Curva de extração de potência

• OBS: A curva de extração de potência apresentada é apenas ilustrativa, não é a curva de uma CAO flutuante

Tecnologias

Wave Dragon

• Aplicação em alto-mar.

• Acumulação de água em um reservatório.

• Utilização de turbinas Kaplan, de baixa queda.

baixa queda. Figura 8. Esquema de uma Central Wave Dragon

• Vantagem: Fácil controle da geração • Desvantagem: Custo de instalação

Instalada em alto-mar

Tecnologias

Wave Dragon

Aproveitamento no Atlântico:

• Possível instalar centrais de 4MW com aproximadamente 5 vezes as dimensões de Nissum

Figura 9. Protótipo da Central Nissum Bredning na Dinamarca, 20kW, 260 toneladas

vezes as dimensões de Nissum Bredning.

• Reservatório:

• Produção anual: 16GWh

3

5000m

FONTE: Relatório da WEC, Potencial e Estratégia de desenvolvimento da energia das ondas em Portugal.

Tecnologias

Sistemas de Corpo Oscilante

Figura 11. Protótipo dinamarquês de boias agitadas

Figura 10. Protótipo sueco utilizando um gerador linear

Tecnologias

Gerador Linear

Figura 12. Gerador Linear utilizado em geração por sistema de corpo oscilante FONTE: Adaptado de: OSKAR DANIELSSON. Design of a Linear Generator for a Wave Energy Plant. Uppsala University School of Engineering. Master’s Project

Tecnologias

Pelamis

Figura 13. Central Pelamis portuguesa 3 x 750kW

FONTE: Relatório da WEC, Potencial e Estratégia de desenvolvimento da energia das ondas em Portugal.

Tecnologias

Pelamis

• Estrutura semi-submersa

• Vários cilindros horizontais ligados por articulações.

• Movimento das articulações bombeia óleo a alta pressão para motores

hidráulicos.

• Os motores hidráulicos acionam geradores.

Figura 14. Esquema de um conversor Pelamis

• Posição geométrica é importante (garantida por flutuadores e cabo conectado ao fundo do mar)

• Junto ao cabo de conexão ao fundo também segue os cabos elétricos.

Tecnologias

Mc Cabe Wave Pump

•Duas plataformas flutuantes promovem torção.

• Um amortecedor promove uma referência mais estável, simulando conexão ao fundo. • Conectado ao fundo por cabos.

Figura 15. McCable Wave Pump

cabos.

•Protótipo instalado na Irlanda

em 1996 com 40m de

comprimento

Tecnologias

AWS

Figura 16. Esquema de um AWS _{Figura 17. Imagem ilustrativa de um AWS} •Funciona baseado em diferença de pressão devido à variação da coluna d’água

Tecnologias

AWS

• Difícil controle de frequência (para obter ressonância), já que é fortemente influenciado pela constante da mola.

• O protótipo da Figura ao lado foi fabricado na Romênia (esq. mostra a

Figura 18. Central piloto AWS do porto de Viana do Castelo,

Romênia (esq. mostra a central rebocada)

• Potência do protótipo: 2MW.

• Segundo protótipo: 9MW

Tecnologias

Aqua-Buoy

• Movimento vertical é utilizado para bombear a própria água do mar para uma turbina Pelton, gerando energia elétrica.

Parques de energia das ondas

Potência instalada por comprimento

• Potência média instalada por comprimento em Portugal (possibilidade de aproveitamento): 20MW/km de costa.

• A potência instalada por comprimento depende do tipo de central • A potência varia com o quadrado da altura da onda

Parque de 100MW

(Considerando o espaçamento adequado entre duas unidades)

5km

15 a 1m km _{~ 1,5m}

Figura 19. Potencial energético de um parque de energia das ondas considerando ondas com a altura típica das ondas na costa portuguesa

Parques de energia das ondas

Cabos elétricos submarinos

• Embora dispendiosa, segue uma metodologia padrão bem sucedida. • Podem ocorrer diversos problemas durante a operação:

- Ação de deslocamento das correntes marítima e ondas. - Atividades da pesca de arrasto.

- Ancoramento de navios no mar. - Ancoramento de navios no mar.

• Atualmente as âncoras provocam cerca de 50% dos problemas. • Profundidade de enterramento dos cabos depende do solo. • Tempo médio gasto na instalação: 10km/h.

Solo

Aplicações

Uso convencional

• Parte da matriz energética nacional

Sazonalidade e horário de pico

• Contribuir para a geração quando a principal forma de geração não estiver favorecida.

Mercados remotos / Pontos Isolados

• Parte da matriz energética nacional

Potencial Brasileiro

Potencial brasileiro de geração através de ondas

• Só no litoral sul e sudeste um estudo da COPPE indicou que o potencial energético é de 40GW.

• O Brasil tem um litoral muito extenso;

• Esse estudo considerou apenas o aproveitamento de energia das ondas, não • Esse estudo considerou apenas o aproveitamento de energia das ondas, não dos outros três tipos apresentados.

Energia das Marés

Esquema de Geração

• Funciona de forma semelhante a uma hidrelétrica. Uma barragem é construída, formando-se um reservatório junto ao mar

Energia das Marés

Esquema de Geração

Energia das Marés

Geração Maremotriz no mundo

• Em 1966 entrou em operação a usina de La Rance na França com uma capacidade de 240 MW.

• Era a maior usina maremotriz do mundo até 2010, quando entrou em operação a usina de Sihwa, na Coréia do Sul, com uma potência total de 260 MW.

MW.

• Outros países empreendedores dessa tecnologia são a Rússia, com uma usina de 1,7 MW, em operação desde 1968, a China (3,2 MW) e o Canadá (20 MW), com usinas inauguradas em 1980. A Coréia do Sul planeja colocar em operação até 2017 mais três usinas, com capacidade total de 2.650 MW.

Energia das Marés

Usina Mareomotriz de Sihwa

• A usina maremotriz tem uma capacidade de produção anual de 552.7 milhões de kWh. Talvez um pouco mais que a capacidade média anual de Belo Monte.

Energia das Marés

Usina Maremotriz de La Rance

Energia das Marés

Usina Mareomotriz de La Rance

• Construida em 1966 próxima a St. Malo na França •Maré Média Anual: 8 m

• Área da Bacia:

17km

• Capacidade Instalada: 240MW

• Comprimento da Barragem: 720 m

Energia das Marés

Potencial de geração maremotriz

• Calcula-se que o fluxo total das marés através da Baía de Fundy pode teoricamente gerar 400 milhões de kWh os quais seriam equivalentes à produção de 250 grandes usinas nucleares.

• Utilizando-se somente uma pequena parte do seu potencial, poderá produzir energia suficiente para ajudar significativamente no atendimento da demanda energia suficiente para ajudar significativamente no atendimento da demanda do leste dos EUA.

• Poderá ser construída na Baía de Fundy uma usina maremotriz de 5 500 MW.

Fonte: A indomável energia das marés. SUPER. Editora Abril. Citando entrevista concedida pelo professor Reyner Rizzo, do Departamento de Oceanografia Física da Universidade de São Paulo. Disponível em

Energia das Marés

Potencial de geração maremotriz no Brasil

• O Brasil não tem uma maré de grande desnível.

• No entanto, existem três lugares no Brasil em que a instalação seria viável: - Foz do rio Mearim, no Maranhão

- Foz do Tocantins, no Pará - Foz do Tocantins, no Pará

- Foz da margem esquerda do Amazonas, no Amapá. • Segundo o Professor Rizzo o impacto ambiental seria mínimo.

• A água represada inundaria apenas a região que já é inundada naturalmente, não sendo necessário alagar outras áreas

Energia das Correntes

Oceânicas

Energia das Correntes Oceânicas

Esquema de Geração

• Turbinas montadas sobre o fundo do oceano. • Não é necessário barragem

Energia das Correntes Oceânicas

• As correntes marítimas variam a direção.

• Engrenagens de posicionamento são utilizadas para orientar as lâminas na direção da corrente marítima.

• Reserva de energia na forma cinética. • Melhor local para instalação: Estreitos

Gradiente Vertical de

Temperatura

Gradiente Vertical de Temperatura

Gradiente de temperatura nos oceanos

• O gradiente de temperatura ocorre devido à profundidade de penetração da radiação solar

Gradiente Vertical de Temperatura

Princípio de Funcionamento

• O princípio de funcionamento é o mesmo de uma usina termelétrica, comumente denominado OTEC – Ocean Thermal Energy Convertion • Fluido de trabalho tem um baixo

ponto de ebulição. Exemplo:

ponto de ebulição. Exemplo: Amônia

•O fluido é vaporizado pela troca de calor com a água da superfície (quente), se expande em uma turbina (que alimenta o gerador) e se condensa interagindo com a

Gradiente Vertical de Temperatura

• O Rendimento termodinâmico é muito baixo; o máximo teórico que se pode obter – com as temperaturas indicadas na figura – é de quase 7%.

• Tal como o movimento das marés, o “gradiente de temperatura” existe em permanência e, portanto, é um recurso renovável que pode ser explorado como alternativa energética.

Energia dos Oceanos no

Cenário Energético Atual

Cenário Energético Atual

Vantagens e desvantagens

Vantagens

• Recurso renovável e auto-sustentável.

• Energia limpa. É totalmente livre de poluição.

• Localização Flexível (onshore, nearshore e offshore).

• Recurso bem caracterizado (fácil determinar o potencial disponível).

• Aproveitamento de desenvolvimento tecnológico da extração petrolífera. • Não há custo de área ou desapropriações.

Desvantagens

• Necessidade de manutenção constante devido à ação destrutiva da água do mar.

• Transmissão de energia, sobretudo na modalidade offshore. • Risco a navegação.

• Comportamento estocástico e sazonal (embora mais determinístico que hidrelétrico).

Países que se destacam

• Portugal, Estados Unidos, Canadá, França e Rússia possuem vários projetos pilotos.

• Argentina, Austrália, Canadá, Índia, Coreia do Sul, México, Reino Unido, Estados Unidos e Rússia apresentam bom potencial para aproveitamento da energia das marés.

• Coreia do sul e França possuem hoje as duas maiores usinas do mundo. • Coreia do sul e França possuem hoje as duas maiores usinas do mundo.

Países que se destacam

• A Grã-Bretanha tem incentivado as pesquisas para extrair energia das ondas e marés.

• Um estudo recente prevê que, até 2050, a energia das ondas atingirá 190 GW isto é cerca de 3 vezes toda a energia elétrica produzida hoje no Reino Unido. • Com esse incentivo, mais de 100 empresas estão desenvolvendo novos • Com esse incentivo, mais de 100 empresas estão desenvolvendo novos dispositivos para coletar a energia dos mares.

Distribuição do potencial

Figura 1. Distribuição de potencial de aproveitamento de energia das ondas • Potencial relativamente grande nas costas europeia e australiana

• No Brasil, embora o potencial MW/km não seja tão elevado, a costa é bastante extensa.

Potencial Mundial

• Segundo à Empresa de Pesquisa energética (EPE) o total estimado para energia potencial da maré é de 22mil TWh por ano, dos quais 200TWh seriam aproveitáveis. Em 2008 menos de 0,3% desse potencial era convertido em energia

Projeção da capacidade instalada (MW) Fonte: EPE 2007

Energia dos Oceanos no Brasil

• Já existe hoje uma usina piloto no porto de Pecém, no Ceará.

• A usina custou cerca de 12 milhões de reais e tem capacidade de 100kW, o equivalente ao consumo de 60 casas no padrão médio de consumo de energia do estado.

Viabilidade econômica

Fonte de energia Ondas Hidro Termica Eólica Solar Fator de capacidade(%) 55 55 55 25 25 Custo da Planta ($/kW) 960 1000 800 1400 7000 Custo de O&M ($/MWh) 6 6 6 10 10 Custo do combustível($/MWh) 0 0 18 0 0

Resultados comparados – dados do Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação em Engenharia (Coppe)

Conclusões

• Trata-se de uma fonte abundante de energia.

• Impacto ambiental muito pequeno, está entre as fontes mais limpas de energia, sobretudo o aproveitamento de energia das ondas.

• O Brasil apresenta um grande potencial a ser aproveitado

• É uma boa alternativa para diversificação da matriz energética do Brasil. • É necessário desenvolvimento para solução de problemas ainda existentes.

Agradecimento

Obrigado

Obrigado