UNIVERSIDADE DE LISBOA
INSTITUTO DE GEOGRAFIA E ORDENAMENTO DO TERRITÓRIO
Variabilidade dos regimes de vento e potencial eólico na
região de Cascais
João Pedro Antunes Madeira
Mestrado em Geografia Física e Ordenamento do Território
UNIVERSIDADE DE LISBOA
INSTITUTO DE GEOGRAFIA E ORDENAMENTO DO TERRITÓRIO
Variabilidade dos regimes de vento e potencial eólico na
região de Cascais
João Pedro Antunes Madeira
Mestrado em Geografia Física e Ordenamento do Território
Orientação científica: Professor Doutor António Manuel Saraiva Lopes
Lisboa
2010
RESUMO
Este trabalho é o resultado do estudo dos regimes de vento, sua variabilidade e o potencial eólico na região de Cascais para a produção de energia eléctrica a curto e médio prazo num quadro de alterações climáticas.
Na primeira fase da investigação, fez-se uma avaliação das modificações recentes do comportamento dos ventos no Atlântico Norte a partir de bibliografia publicada por vários autores em revistas científicas. Com base nas estações meteorológicas no troço litoral entre o Cabo Carvoeiro e Lisboa foram efectuadas várias análises estatísticas para perceber se na costa ocidental portuguesa também ocorreram as tendências reportadas. A verificação da tendência secular do vento foi efectuada a partir de um modelo baseado na correlação entre as velocidades médias mensais e a Oscilação do Atlântico Norte (NAO). Esta análise permitiu verificar que durante o período de 1865 até a actualidade não se verificou nenhuma tendência significativa. Através de uma análise de Fourrier foram identificados períodos de maior variabilidade (de 2, 5, 15 e 28 anos) nas velocidades mensais da estação de Lisboa/Portela. Considerou-se que 28 anos seria um período óptimo para se preverem modificações futuras do potencial eólico na região de Cascais, já que prefigura um intervalo de tempo suficientemente longo para que se possam planear acções de instalação e produção de energia eléctrica com retorno económico. Desde o início de funcionamento da estação de Lisboa/Portela foi encontrado igual período de tempo (28 anos), tendo sido observado um decréscimo das velocidades médias mensais de 1,8 m/s. Devido às condições de variabilidade nas velocidades médias é provável que a seguir a um período de decréscimo ocorra igual aumento de vento, o que mantém as condições de tendência nula secular.
Estes resultados permitiram construir cenários de 28 anos com aumentos e descidas de velocidade médias de ± 1,8 m/s.
Na segunda parte do trabalho, foram calculadas as velocidades médias do vento e o potencial eólico (através da densidade de potência) na região de Cascais a partir das estações de Tires e do Cabo Raso. Foram feitas várias simulações com o software WAsP a partir dos cenários de aumento e diminuição futura do vento e os valores comparados com as condições actuais.
Os resultados mostram que é possível o aproveitamento para a produção eléctrica a nível local, sobretudo quando as velocidades forem tendencialmente superiores às actuais. A aplicação do potencial em parques eólicos de grandes dimensões será de difícil execução na medida em que a região se encontra fortemente humanizada (35% de área urbana) e com condicionantes devido à proximidade do Parque Natural Sintra-Cascais.
No final propõe-se um conjunto de medidas de boas práticas com vista à produção local de energia eléctrica, que poderá ser uma solução ambientalmente sustentável para as necessidades locais dos munícipes. Futuramente dever-se-á aprofundar este estudo através da projecção do crescimento urbano do concelho, que implicará novas necessidades mas também menos condições para a pequena produção eólica.
Palavras-chave: Ventos no Atlântico Norte, Potencial eólico na região de Cascais, variablidade
ABSTRACT
This work is the result of an investigation of winds; they’re variability, and the wind energy potential in the region of Cascais for the production, in a short and medium time scale, of electrical energy influenced by climatic changes.
In the first step of this investigation, we did an evaluation of the recent modifications in North Atlantic winds behavior; through the written references published in inter magazines. Based on near ocean meteorological stations between Cabo Carvoeiro and Lisbon, several statistical analyses were made to know if there were also that referred changes in the Portuguese coast. The confirmation of the secular wind trend was based in the correlation between the monthly average velocities and the North Atlantic Oscillation (NAO). This analysis could show that since 1865 until now, no significant trends were revealed.
Through a Fourrier analysis there were identified some periods of more variability (of 2, 5, 15 e 28 years) in the Lisboa/Portela station monthly velocities. We considered 28 years as being a excellent period to predict future modifications of wind energy potential in Cascais. We believe it so, because it is in fact a sufficient time period to plan actions of installing and producing electrical energy, considering the economical growth. Since the beginning of the Lisboa/Portela station that the same time period of 28 years has showed decreasing of monthly wind velocities of 1,8 m/s. Due to variability conditions in average velocities it is likely that, after a wind decreasing period, an event of wind increasing might occur, keeping the null secular wind trend. This results allowed us to built 28 year scenarios with oscillations of average wind velocity over 1,8 m/s.
In the second part of this work we calculated for the Cascais region the average wind velocity and the wind energy potential (through potential density), with the Tires and Cabo Raso station data. Simulations were made with WAsP software starting by the future increasing and decreasing wind scenarios as well as comparing analysis data between that estimated values and the recent values.
The results show that the local electrical production is in fact sustainable. This idea becomes even more possible when the wind velocities were higher than today. We know that the application of the potential in large wind energy farms will be difficult, due to strong density of populated areas (35% urban area). Furthermore, there are the constraining limitations of natural protected area of Sinta-Cascais.
In the last part of this research we propose some measures to produce local electrical energy that could be a sustainable environmental solution to local needs of the Cascais habitants. We will continue to develop this study regarding the continuous urban growth. But as the population grows, new kinds of solutions have to be taken so that the small wind energy production can be a reality.
Keywords: North Atlantic winds; Cascais wind energy potential; climatic variability; average wind
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Doutor António Lopes, pela exigência, pela forma como soube sempre dar a volta quando surgiam complicações e pela paciência em me acompanhar ao longos destes anos do mestrado.
Aos meus amigos e colegas que durante este trabalho me ajudaram e deram pequenos mas fundamentais contributos, André Fonseca, João Gomes, Hugo Matado, Sérgio Freire, Sofia Baltazar e Luís Gomes.
À professora Maria João Alcoforado pela qualidade que exige aos seus alunos e que me permitiu evoluir.
Ao Engenheiro António Lopes pela paciência e pela compreensão.
À Dra. Sara Pryor, da Universidade de Indiana (EUA), pela cedência de informação útil e conselhos práticos.
À Câmara Municipal de Cascais, na pessoa do João Dinis, que disponibilizou muitos dos dados utilizados.
Índice
INTRODUÇÃO ... 5
1. Apresentação do trabalho ... 5
1.1 Objectivos e organização do trabalho ... 6
2. A Energia Eólica em Portugal: situação actual e perspectivas ... 7
3. Enquadramento da área de estudo... 11
3.1 A forma do litoral ... 12
3.2 Plataforma de Cascais, vales e ribeiras ... 12
3.3 A serra de Sintra e sua influência nos ventos dominantes ... 13
3.4 Uso do solo e classes de rugosidade ... 16
PARTE I……….…19
1. Processos de investigação e metodologia utilizada ... 19
1.1 Estudo das tendências e variabilidade do vento na costa ocidental portuguesa ... 19
1.2 Estudo das séries de referência para a estimação do potencial eólico em Cascais ... 20
1.3 Informação cartográfica ... 24
2. Variabilidade climática do vento no Atlântico Norte e no Mediterrâneo ... 25
2.1 Variabilidade e alterações climáticas ... 25
2.2 A Oscilação do Atlântico Norte (NAO) ... 26
2.3 Modificações recentes e futuras do vento na Europa ... 28
2.3.1 Báltico e norte da Europa ... 29
2.3.2 Mediterrâneo ... 30
2.3.3 Península Ibérica e Portugal Continental ... 31
3. Variabilidade e modificações recentes nos regimes de vento no litoral entre o Cabo Carvoeiro e Lisboa ... 34
3.1 O vento na costa ocidental portuguesa ... 34
3.1.1 Tendência nas estações climatológicas ao longo da costa ocidental ... 35
3.2 Tendências sazonais do vento nas estações do Cabo Carvoeiro e Lisboa/Portela ... 38
3.3 Análise da série de vento estimada (Cabo Carvoeiro e Lisboa/Portela) ... 41
PARTE II ... 46
5. Modelação dos regimes de vento em Cascais e cenários de potencial eólico ... 46
5.1 Análise e tratamento dos dados mensais de Tires e Cabo Raso ... 46
5.2 As árvores como bioindicadores para o estudo dos regimes de vento na região de Cascais ... 47
5.3 Estimação do potencial eólico para a região de Cascais ... 49
5.4 Interpretação dos resultados da estimação do potencial eólico ... 55
CONCLUSÃO ... 57
Referências Bibliográficas ... 61
Índice de Quadros
Quadro 1 - Classes e características da rugosidade proposta para Cascais………..…………...…17Quadro 2 – Caracterização das estações meteorológicas de referência para a costa ocidental portuguesa……….…...….19
Quadro 3 – Caracterização das estações de referência para o concelho de Cascais………….…...…21
Quadro 4 – Comparação estatística de Weibull entre a série completa (total) e série média diária (χ diária) para a estação de Tires………...22
Quadro 5 – Resultados relativos à regressão e ao teste de significância-F………....………39
Quadro 6 – Estimativas das velocidades médias e da densidade de potência do vento nos cenários propostos a partir da estação do Cabo Raso………...….……54
Quadro 7 – Estimativas das velocidades médias e da densidade de potência do vento nos cenários propostos a partir da estação de Tires/Aeródromo………...………….…54
Índice de Figuras
Figura 1 – European Wind Atlas: potencial eólico na Europa a 50 metros de altitude (Risø, 1989)………..…...…8Figura 2 – Capacidade de geração de energia eólica na Europa em Dezembro de 2009 (INEGI, 2009)………...….9
Figura 4 - Evolução da energia eólica no panorama das energias renováveis (adaptado: DGGE, 2010)………...…..10 Figura 5 – Relevo e localização dos principais pontos de interesse geográfico do concelho de Cascais………....……….…...12 Figura 6 – Declives do concelho de Cascais com interesse para as características de escoamento do ar……….………...14 Figura 7 – A linha do buffer define o limite do efeito de “esteira” e o possível desenvolvimento do fluxo de ar livre de perturbações………...……….15 Figura 8 – Distribuição e densidade da área urbana no concelho de Cascais………...16 Figura 9 – Valores de z0 estimados para o concelho de Cascais………...…..…….18 Figura 10 – Localização das estações de referência para o estudo do potencial eólico em Cascais. Poste do anemómetro (9 m) da estação do Cabo Raso (A) e torre do anemómetro (10 m) da estação de Tires/Aeródromo (B)……….………...…….…….21 Figura 11 – Comparação entre os rumos de vento em 2008, da série de Tires completa (A) e da série de velocidades médias diárias (B)……….………...………23 Figura 12 - Perfis logarítmicos do vento, em atmosfera neutra e para diferentes superfícies (Lopes, 2003)……….………...………24 Figura 13 – Evolução do índice NAO desde 1860 a 2000, com ênfase para os valores desde 1900. (extraído de: www.ldeo.columbia.edu/NAO )...27 Figura 14 – Linhas de força dos cenários SRES (Special Report On Emissions Scenarios) do IPCC, a nível global (CMC, 2010)… ………...…….……32 Figura 15 – Tendências recentes da velocidade do vento na Europa….………...……….33 Figura 16 – Frequência dos rumos de vento na região de Sintra-Cascais e Lisboa, por estação do ano (extraído e adaptado de Alcoforado e Dias, 2001)… ………...…….35 Figura 17 – Tendência da velocidade do vento (m/s) na estação do Cabo Carvoeiro (1958-1992)...………36 Figura 18 – Tendência da velocidade do vento (m/s) na estação do Cabo da Roca (1953-1988)… ………...………..36 Figura 19 – Tendência da velocidade do vento (m/s) na estação de Sintra-Granja (1998-2008)… ………...…..36
Figura 20 – Tendência da velocidade do vento (m/s) na estação do Monte Estoril (1970-1986) ………...….….37 Figura 21– Tendência da velocidade do vento (m/s) na estação de Lisboa/Gago Coutinho
Figura 22 – Tendência da velocidade do vento (m/s) na estação de Lisboa/Geofísico (1947-2008)… ………...….…37 Figura 23 – Tendência da velocidade do vento (m/s) na estação de Lisboa/Portela (1953-2008)… ………...….………..38 Figura 24 – Comportamento sazonal da velocidade do vento (A) e respectiva correlação com a NAO (B) no Cabo Carvoeiro (1958-1992) em Abril-Agosto e Setembro-Março………...….….40 Figura 25 – Comportamento sazonal da velocidade do vento (A) e respectiva correlação com a NAO em Lisboa/Portela (1953-2008) em Abril-Agosto e Setembro-Março………...…..40 Figura 26 – Velocidade do vento estimada (m/s) a partir da relação entre a NAO e o vento mensal, nas estações de Cabo Carvoeiro e Lisboa/Portela (Portela)………...……....41 Figura 27 – Comparação (A) e correlação (B) entre os valores observados e o controlo (estimado + resíduos) no Cabo Carvoeiro………...….42 Figura 28 – Comparação (A) e correlação (B) entre os valores observados e o controlo (estimado + resíduos) em Lisboa/Portela….………...……….……42 Figura 29 – Velocidades médias anuais do vento e respectivas tendências na parte oriental de Lisboa (adaptado de Lopes, et al, 2010)… ………...………..43 Figura 30 - Velocidade do vento na estação de Lisboa/Portela (1953-2008), ajustamento polinomial (4° grau, azul) e linha de tendência do período de 28 anos (recta cheia)………...…..44 Figura 31 - Periodograma da variabilidade anual da intensidade do vento na estação de Lisboa/Portela (1953-2008). Nos valores de frequência, multiplicar por 100 para obter o número de anos………...…..45 Figura 32 – Direcção do vento dominante em 2008 para as estações do Cabo Raso (A) e Tires (B)… ………...…....47 Figura 33 – Ventos dominantes e áreas de deformação das árvores (adaptado de Alcoforado, 1984). Localização do vale da ribeira das Vinhas (a vermelho)… ………...………...48 Figura 34 – Estimação da velocidade do vento (m/s) (A) e densidade de potência (W/m2) (B), em cenário actual para Cascais………...….……50 Figura 35 – Estimação da velocidade do vento (m/s) (A) e densidade de potência (W/m2) (B), em cenário de aumento médio do vento (+1.8 m/s) para Cascais………...….………..51 Figura 36 – Estimação da velocidade do vento (m/s) (A) e densidade de potência (W/m2) (B), em cenário de diminuição média do vento (-1.8 m/s) para Cascais………...….………..52 Figura 37 – Locais de estimação a partir das séries do Cabo Raso e Tires/Aeródromo……...…….…53
5
INTRODUÇÃO
1. Apresentação do trabalho
A temática do ambiente e das energias renováveis tem ganho cada vez mais peso na sociedade e uma importância estratégica na economia dos países e no cumprimento do Protocolo de Quioto (Directiva 2001/77/CE).
Entende-se por “fonte de energia renovável” como “as fontes de energia não fósseis
renováveis (energia eólica, solar, geotérmica, das ondas, das marés, hidráulica, de biomassa, de gases dos aterros, de gases das instalações de tratamento de lixos e do biogás)” (Directiva
2001/77/CE). Três das referidas fontes (eólica, solar e ondas) são dependentes de elementos climáticos directa ou indirectamente. As energias renováveis enquadram-se numa perspectiva de sustentabilidade pelo que é necessário conhecer o comportamento de algumas variáveis climáticas.
Mesmo reconhecendo que o investimento na energia eólica está a crescer e tem vindo a ganhar um peso significativo no mercado energético, o vento não é ainda a variável climática mais estudada comparando por exemplo com a temperatura e com a precipitação (Klink, 2002; Pryor e Barthelmie, 2003; Pryor, et al, 2005b; Tuller, 2004); tal situação deve-se sobretudo a três factores: a obtenção de dados em estações meteorológicas e anemómetros cujas condições e características não são apropriadas (Farrugia, 2003), às mudanças de instrumentação ao longo dos anos e à má distribuição de estações meteorológicas (Santos, 2006).
Contudo, as tendências que se conhecem nos ventos superficiais, são tidas em conta pelo seu papel nas alterações climáticas e os seus efeitos na sociedade: ritmos do upwelling, planeamento urbano, processos de erosão, dispersão de poluentes e a produção eólica (Klink, 2002; Pryor e Barthelmie, 2003; Pryor, et al, 2006). Importa portanto, conhecer as mudanças nos regimes de vento, uma vez que essas modificações podem depender das alterações climáticas previstas pelo IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) sobretudo nos ventos superficiais à escala global (Bloom, et al, 2008), afectando por exemplo, a produção eólica.
6
Alguns estudos, como refere Marshall, et al, (2001) indicam que houve um aumento efectivo das velocidades médias do vento no Atlântico Norte durante os últimos trinta anos do século XX. Este aumento coincide com uma fase positiva forte da Oscilação do Atlântico Norte (North Atlantic Oscilation ou NAO) que, sendo em parte responsável pela variabilidade climática da região que engloba, é um indicador fundamental para conhecer a variabilidade das velocidades médias do vento.
Segundo Bloom, et al, (2008), o conhecimento das mudanças que podem ocorrer nos regimes de vento de uma região e, por consequência, a energia eólica potencial disponível no futuro, é fundamental para desenvolver a actividade que regula a produção energética a partir deste recurso climático. Os mesmos autores sugerem mudanças das velocidades do vento na Europa durante o século XXI face ao aumento e à acumulação de gases de efeito de estufa (GEE) o que terá implicações nos padrões de vento e no planeamento e ordenamento regional.
Na Escandinávia por exemplo, a produção anual de energia eólica foi muito baixa para o período de 1960 a 1989 quando comparada com a produção entre 1990 e 2001 que obviamente coincide também com a década de maior investimento no sector (Pryor, et al, 2006a). É portanto necessário aumentar o rigor e a precisão das projecções climáticas para melhorar as políticas de investimento e investigação do sector.
1.1 Objectivos e organização do trabalho
Este trabalho pretende estudar a variabilidade dos regimes de vento na costa ocidental portuguesa entre o Cabo Carvoeiro e Lisboa, a uma escala regional e avaliar o potencial eólico associado para microgeração de energia eléctrica na região de Cascais.
A região de Cascais é uma área com particular interesse devido a um conjunto de factores: a proximidade à cidade de Lisboa, a presença da Serra de Sintra a noroeste e sobretudo a sua litoralidade e a concentração de área urbana junto à costa.
Esta dissertação está organizada em duas partes:
Parte I:
a) Descrição da metodologia utilizada ao longo de cada capítulo e a sua importância para o
conjunto do trabalho. Tratamento e caracterização das séries de dados utilizadas e a análise espacial da área de estudo através de diversos elementos cartográficos, necessários para as várias fases do presente estudo.
7
b) Enquadramento teórico da temática do estudo, discutindo-se os conceitos de variabilidade e
alteração climática que serviu e resumo de alguns importantes estudos conhecidos sobre as modificações recentes e futuras do vento no Atlântico Norte. A importância da NAO é igualmente discutida, com uma breve explicação dos padrões de pressão no Atlântico Norte e as suas consequências.
c) Caracterização dos ventos no litoral entre o Cabo Carvoeiro e Lisboa. Análise sazonal das séries
de vento do Cabo Carvoeiro e de Lisboa/Portela. Estimação da tendência do vento secular a partir da correlação com a NAO.
e) Estimação da variabilidade do vento em Lisboa segundo a análise espectral de Fourrier.
Parte II:
a) Aplicação da variabilidade do vento em Lisboa para os cenários de aumento e diminuição do
vento. Estimação do potencial eólico através da modelação dos regimes de vento na região de Cascais e a análise do respectivo potencial eólico. Abordagem das questões ambientais associadas à aplicação de sistemas de produção de energia eólica na região.
b) Apresentam-se os principais resultados desta investigação, apontando caminhos alternativos e
complementares a este trabalho.
2. A Energia Eólica em Portugal: situação actual e perspectivas
Com a intenção de cumprir as metas de Quioto e outros protocolos posteriores, Portugal inclui no seu quadro legislativo e regulamentar oportunidades que promovem o investimento em energias alternativas, nomeadamente na eólica. Um dos bons resultados desse investimento está relacionado com a construção e montagem de infra-estruturas por empresas nacionais, o que promove a indústria e a economia portuguesa. Importa por isso, conhecer o comportamento e o papel da energia eólica nos últimos anos em Portugal.
O European Wind Atlas1, construído em 1989 pelo Risø National Laboratory (Dinamarca), determinou o potencial eólico das regiões europeias de onde importa destacar Portugal Continental (Figura x); o estudo foi feito com base em registos de onze estações meteorológicas no território, entre 1971 e 1980 e para diferentes tipos de topografia (a 50 metros de altitude).
Através da observação da Figura 1, percebe-se que o maior potencial eólico em Portugal continental concentra-se nas faixas litorais a norte do Tejo e no Algarve.
1http://www.wasp.dk/
8
A energia potencial aumenta à medida que se estima para áreas mais expostas ao vento, como oceano ou locais em altitude. Assim, o potencial eólico estimado varia entre os 100-150 W/m2 (terrenos abrigados) e 700-1200 W/m2 (colinas e cumeadas). Porém, terá de ser tido em conta que foram utilizadas apenas onze estações de referência e apenas esses locais estarão melhor caracterizados.
Figura 1 – European Wind Atlas: potencial eólico na Europa a 50 metros de altitude (Risø, 1989).
Segundo os dados do INEGI2 (2009), Portugal foi o 6º país europeu com maior capacidade instalada em Dezembro de 2009, com cerca de 3535 MW (Figura 2), valor superior ao da Dinamarca, por exemplo; Alemanha e Espanha continuam a liderar a lista de maior capacidade instalada e de produção.
9
Figura 2 – Capacidade de geração de energia eólica na Europa em Dezembro de 2009 (INEGI, 2009).
Em Portugal Continental, os parques eólicos com a maior capacidade de geração estão distribuidos sobretudo pelo centro e norte, principalmente em locais de maior altitude (serras e outros relevos) e mais interiores. Nas regiões do Oeste, Lisboa e Algarve, os parques têm uma potência instalada, em média, mais baixa que os anteriores mas estão localizados mais perto do litoral (Figura 3).
10
O relatório Estatísticas Rápidas – Renováveis da Direcção-Geral de Energia e Geologia (DGGE, 2010), aponta que a produção de energia a partir do vento cresceu numa primeira fase de forma relativamente abrupta (de 2003 para 2004), fruto do aumento do licenciamento de parques eólicos em 800 MW/ano, seguindo-se um período de crescimento sustentado, sendo logo depois da fotovoltaica, a renovável com a maior taxa de crescimento anual em potência instalada. A produção eólica cresceu 49% durante o 1º semestre de 2010 face ao período homólogo de 2009. Este cenário actual pode ser explicado pelo crescente peso do sector eólico no panorama económico, energético e ambiental no país.
A energia eólica representa hoje 40% no total da Produção em Regime Especial (PRE)3 - que inclui ainda a hídrica, biomassa com e sem cogeração, resíduos sólidos urbanos, biogás, fotovoltaica, ondas e marés - e responsável por quase 30% (Figura 4) da energia eléctrica produzida também pelas fontes renováveis citadas – 7440 GWh em 2009.
Figura 4 - Evolução da energia eólica no panorama das energias renováveis (adaptado: DGGE, 2010).
3 PRE: Actividade licenciada ao abrigo de regimes jurídicos especiais, no âmbito da adopção de políticas destinadas a incentivar a produção de electricidade, nomeadamente através da utilização de recursos endógenos renováveis ou de tecnologias de produção combinada de calor e electricidade. (ERSE, Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos).
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
% eólica na produção de energia eléctrica renovável (GWh) % potência instalada eólica (MW)
11
Outra questão a ter em conta, é o número médio de horas de produção anual com velocidades do vento óptimas e de acordo com os parâmetros de cada equipamento. Entre 1997 e 2009 a média de horas foi de 2551, registando o mínimo em 2007 (2066 horas) e um máximo em 2001 (2470 horas) revelando uma tendência linear ao longo de uma década (DGGE, 2010).
Em Portugal Continental a produção de energia através do aproveitamento do vento tem crescido de forma rápida e sustentada tendo sido licenciados 410 MW em 2008 e 548 MW em 2009 (DGGE, 2010). Apesar da velocidade do vento variar ao longo de um dia e também sazonalmente, o desenvolvimento das tecnologias de captação e transformação da energia em electricidade, atribui à energia eólica um papel muito importante na redução de emissões de GEE e no desenvolvimento sustentável. Conhecer a componente climática (neste caso, o vento) é portanto fundamental para o progresso no sector.
Resumindo, Portugal tem vindo a aproveitar cada vez mais o recurso eólico para produção de energia eléctrica e está prestes a alcançar a meta a que se propôs em 2003 (Resolução do Conselho de Ministros nº 63/2003), de ter uma capacidade instalada para produção de energia eólica de 3750 MW.
O potencial energético eólico, traduzido no European Wind Atlas só pode servir de referência e de incentivo ao estudo dos ventos locais e regionais para que a estimação do potencial eólico possa ter um aproveitamento económico e ambiental mais sustentável.
3. Enquadramento da área de estudo
A escolha da região de Cascais para este estudo de caso foi influenciada pelo crescente número de estudos e projectos associados às alterações climáticas e à política de investimento na produção de energia de fonte renovável no concelho4. Apesar de ser um concelho relativamente pequeno (97 km2) metade do perímetro de Cascais estende-se pela orla marítima o que vinca a litoralidade da região (Taborda, et al, 2010). É também na região costeira a sul que se concentram as áreas urbanas e os centros de produtividade do concelho. Aguiar (2010) refere que o microclima da faixa costeira Atlântica de Cascais é mais seco mas também mais ventoso em relação a áreas mais interiores.
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Um desses projectos é representado pelo protocolo de cooperação entre o Instituto de Geografia e Ordenamento do Território da Universidade de Lisboa (IGOT-UL) e a Câmara Municipal de Cascais
12
3.1 A forma do litoral
Cascais apresenta um litoral particularmente rochoso e talhado em arribas de bordo recortado. De acordo com Taborda, et al (2010), “a fachada poente apresenta orientação geral
N‐S e desenvolve‐se ao longo de aproximadamente 5 km, entre o limite norte do concelho e o Cabo Raso. A secção localizada a norte da Praia do Guincho consiste em litoral predominantemente granítico, cortado em vertentes altas, culminando frequentemente a cotas da ordem de 100 m; a sul daquela praia as arribas são ainda o elemento geomorfológico predominante, sendo aqui mais baixas, com comando de 20 m, e talhadas em maciços margosos e calcários carsificados”. Do Cabo Raso para leste seguindo a linha de costa, os autores escrevem
que “a linha de costa inflecte para sudeste e mantém aquele rumo geral ao longo de 15 km, até S.
Julião da Barra, apenas perturbada na região da baía de Cascais (Figura x). Uma vez mais, os conteúdos predominantes correspondem a arribas, com altura variável entre 5 e 15 m”.
O litoral é ainda marcado por extensas acumulações de areias de onde se destacam Carcavelos e Guincho como as maiores praias em extensão.
3.
2 Plataforma de Cascais, vales e ribeiras
O elemento geomorfológico predominante é a plataforma de Cascais, que se desenvolve no sul do concelho. É uma superfície relativamente plana e pouco acidentada que se estende a uma altura que varia entre os 100 e os 150 metros (Figura 5) em solos calcários. É composta por antigas superfícies de abrasão que constituem camadas sedimentares do Jurássico e do Cretácico que foram erodidas pela acção do mar e que vão diminuindo progressivamente de altitude (Ribeiro, 1940; Alcoforado, 1993) até à costa.
A plataforma é também entalhada por vários vales e ribeiras que são importantes no escoamento do ar porque canalizam os fluxos de vento (Figura 5). Devido ao substracto uniforme e essencialmente carbonatado, a rede de drenagem é do tipo dendrítica (poucas confluências, embora de direcções variáveis) e influenciada pelo traçado das falhas geológicas (Taborda, et al, 2010). Destacam-se as ribeiras de Marmeleiros, Vinhas e de Caparide-Manique, relativamente extensas para a e de orientação norte-sul e a ribeira da Penha Longa de orientação NE-SW e que converge juntamente com a ribeira de Marmeleiros, na ribeira das Vinhas. Na vertente SW da serra de Sintra existe um conjunto de entalhes que influenciam os fluxos de vento que atravessam a serra.
13 Figura 5 – Relevo e localização dos principais pontos de interesse geográfico do concelho de Cascais.
3.3 A serra de Sintra e sua influência nos ventos dominantes
A serra de Sintra é um maciço granítico com uma extensão de aproximadamente 12 km na direcção este-oeste e uma largura de 5 km e que termina abruptamente a oeste no Cabo da Roca, numa arriba de cerca de 200 metros. A vertentes a sul de inclinação mais suave, fazem a transição para a plataforma de Cascais. Não sendo porém um relevo particularmente elevado (500 metros) quando comparado com outros em Portugal Continental, constitui um obstáculo aos fluxos de vento predominante de norte pelo que é importante conhecer a sua influência.
14
Na circulação dos ventos superficiais sobre superfícies planas e com rugosidade particularmente baixa, o fluxo adere à superfície. No caso de encontrar um obstáculo, o ajuste não é homogéneo e o fluxo separa-se da superfície para poder continuar a circulação criando normalmente uma região de baixa pressão que gera turbilhões a sotavento do relevo. A existência de separação de fluxo ocorre normalmente em vertentes com declive superior a 17° (Oke, 1987; Lopes, 2003). Esta é uma característica fundamental para este trabalho já que a serra de Sintra se encontra no norte do concelho de Cascais influenciando as condições de ventilação através da
“deflexão lateral dos ventos dominantes de norte e noroeste (...) tendo tendência para a contornar” (Alcoforado, 1993).
A Figura 6 mostra a distribuição dos declives iguais ou superiores a 17° no sector sul da serra de Sintra (que pertence ao concelho de Cascais) e ao longo dos vales onde o entalhe é mais profundo e abruto.
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Na presença de um fluxo de ar predominante (mais ou menos forte) de norte embatendo perpendicularmente na vertente barlavento da Serra de Sintra, tende a contornar e ultrpassar a montanha. Sendo a serra de Sintra um obstáculo isolado, a zona de deslocamento do ar determinada pelo fluxo embate e passa sobre o topo da serra que resulta no deslocamento da massa de ar em altura.
Acima desse limite o fluxo acelera mas imediatamente expande e perde velocidade, encontrando espaço para ocupar a sotavento; numa distância horizontal de cerca de 10 vezes a altura máxima da serra dá-se o efeito de “esteira” (Lopes, 2003). Assumindo a linha de cumeada mais extensa nos 400 metros, é a partir dos 4000 metros a sotavento que a circulação da massa de ar estará fora do efeito de esteira (Figura 7).
Figura 7 – A linha do buffer define o limite do efeito de “esteira” e o possível desenvolvimento do fluxo de
16
3.4 Uso do solo e classes de rugosidade
A estrutura urbana do concelho de Cascais concentra-se sobretudo nas áreas costeiras e no interior da parte oriental do concelho. Observando a Figura 8, é possível verificar que a densidade urbana é maioritariamente baixa e são pouco frequentes as áreas mais densas. A área urbana representa cerca de 35% da área total do concelho.
A rugosidade, sendo um dos principais factores de modificação dos campos de vento, provocando a diminuição da velocidade do escoamento de ar à superfície, é normalmente mais elevada nas cidades.
Figura 8 – Distribuição e densidade da área urbana no concelho de Cascais.
O mapa de rugosidades (z0), elaborado a partir da CorineLandCover 2006 e do PDM de
Cascais, define a disposição dos obstáculos ao vento e orienta a simulação dos fluxos no modelo (Figura 9). Em áreas com uma malha urbana tão distribuída como em Cascais, ainda que de baixa densidade, foi necessário realizar algum trabalho de campo para além da consulta e análise da CorineLandCover 2006 e do PDM de Cascais.
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Lopes (2003) num trabalho efectuado para a cidade de Lisboa concluiu que nas áreas urbanas “o índice de rugosidade ter em conta a área de exposição ao vento” o que não impede que se alcançe o objectivo pretendido uma vez que “a esta escala é impossível calcular, devido ao
grande conjunto que forma a cidade” e que “a generalização que se fez, para grandes áreas, não acarreta grandes desvantagens à análise regional”.
Apresenta-se no Quadro 1, as classes de rugosidade utilizadas, baseadas e adaptadas de Linacre (1992), Mortensen, et al (1993) e Lopes (2003).
Quadro 1 - Classes e características da rugosidade proposta para Cascais
Classe z0 (m) Local (exemplo) Caracaterísticas
1 0.0002 Oceano Atlântico Rugosidade nula ou quase nula
2 0.008 Praia do Guincho Prais, dunas e areais extensos
3 0.01 Aeródromo Tires Pistas de aeródromo
4 0.03 Misto de área verde e baixa densidade urbana
5 0.2 Espaço verde com relativa densidade urbana
6 0.3 Área industrial
7 0.6 Cascais e Parede Área urbana densa mas não muito elevada
8 0.7 Parque Natural de
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Figura 9 – Valores de z0 estimados para o concelho de Cascais.
Como foi referido acima, para a definição das classes de rugosidade apresentadas na Figura 9 foram utilizados elementos cartográficos e uma análise do terreno, não tendo sido quantificado nenhum valor de z0.
A definição das classes foi ponderada tendo em conta os exemplos de outros trabalhos já referidos, resultando em oito classes que caracterizam as principais áreas de atrito do concelho, incluindo a área abrangida pelo efeito de esteira mas que muitas vezes se prolongava para sul:
a) Da classe 1 à classe 5, foram atribuídos os valores de rugosidade padrão e comuns a muitas outras áreas, como Lisboa (Lopes, 2003).
b) A classe 6 foi estimada por comparação com a classe 7; apesar de serem superfícies rugosas, estão dispersas e ocupam uma área muito baixa da área de estudo.
c) Para as classe 7 e 8, assumiu-se como única referência a distribuição de classes feita por Lopes (2003) para a cidade de Lisboa. Lopes atribuiu a bairros onde predominam construções com 3 ou menos pisos e bairros com baixa densidade urbana, o valor de z0 = 0.5 m assumindo-se
para este trabalho 0.6 m uma vez que a área urbana de baixa densidade representa 32% da área urbana total mas que ainda assim é um concelho fortemente urbanizado no geral. A classe 8, com áreas pertencentes ao Parque Natural de Sintra-Cascais, foi assumida uma rugosidade semelhante ao Parque Florestal de Monsanto.
Oceano Atlântico
Sintra
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Parte I
1. Processos de investigação e metodologia utilizada
O presente trabalho aborda duas escalas de análise distintas. A primeira estuda as tendências e a variabilidade da velocidade do vento na costa ocidental portuguesa entre o Cabo Carvoeiro e Lisboa que servirá de base para o entendimento do comportamento do vento ao longo das últimas décadas. A segunda, a uma escala mais local, trata da velocidade e a direcção do vento em duas estações do concelho de Cascais, necessárias para a estimação do potencial eólica da região.
1.1 Estudo das tendências e variabilidade do vento na costa ocidental portuguesa
Consideraram-se 7 estações meteorológicas (Quadro 2), mais ou menos dispostas ao longo da costa ocidental portuguesa sendo a do Cabo Carvoeiro a que está mais a norte e a do Monte Estoril mais a sul.Quadro 2 – Caracterização das estações meteorológicas de referência para a costa ocidental portuguesa.
Período Latitude (N) Longitude
(W) Altitude (m) Início de actividade Cabo Carvoeiro 1958-1992 39º21’ 9º24’ 32 1922 Cabo da Roca 1953-1988 38º46’ 9º29’ 142 1922 Lisboa/Portela 1953-2008 38º47’ 9º08’ 103 1947 Lisboa/Geofísico 1947-1988 38º43’ 9º08’ 77 1836 Lisboa/Gago Coutinho 1985-2008 38º45’ 9º07’ 104 1982 Sintra-Granja 1998-2008 38º50’ 9º20’ 134 1932 Monte Estoril 1970-1986 38º42’ 9º24’ 50 1941
Os registos da velocidade do vento nestas estações foram obtidos a partir do National
Climate Data Center (NOAA-NCDC), à excepção da estação do Monte Estoril (cedidos pela Câmara
Municipal de Cascais) e da estação do Cabo Raso (anuários climatológicos do Instituto de Meteorologia). As séries de dados estavam disponibilizadas em médias horárias, na unidade m/s (excepto Cabo da Roca) e pontualmente em nós, sendo neste caso, convertidas para m/s.
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Para o tratamento estatístico das séries de acordo com os objectivos definidos, calcularam-se as médias mensais sendo possível aumentar o período de algumas séries através dos valores registados nos anuários climatológicos do Instituto de Meteorologia (IM) de onde se retiraram então os valores mensais da velocidade do vento para a estação do Cabo da Roca.
A consulta dos registos do IM serviu também para corrigir algumas falhas de registos das séries. Considerou-se também que as séries estavam homogéneas depois do cálculo das médias mensais. À excepção das estações de Sintra-Granja, Monte Estoril e Lisboa/Gago Coutinho (esta por não ter ainda tempo de actividade), todas as séries têm um período superior a 30 anos o que valida a sua utilização no cálculo de tendências ou de variabilidade do vento.
Para construir uma série suficientemente longa para que se possa aferir se existe uma tendência do vento na costa ocidental e identificar a ocorrência de alteração climática foi necessário correlacionar as séries de vento de maior período com os valores da NAO que, como foi referido anteriormente, é um indicador fortemente associado aos comportamentos do vento. A série de período mais longo era a de Lisboa/Geofísico, seguida da de Lisboa/Portela, contudo dada a localização muito interior na cidade de Lisboa da estação do Geofísico, optou-se pelas estações de Lisboa/Portela e Cabo Carvoeiro, com 55 e 34 anos respectivamente e que não sofrem influência directa de nenhum obstáculo que altere os fluxos de vento.
Os valores mensais da NAO foram obtidos online5 através dos ficheiros disponibilizados pelo investigador Jim Hurrel do National Center for Atmospheric Research (NCAR, Estados Unidos da América)6. No ponto 3 da Parte II serão aprofundados os principais resultados da correlação e a sua importância para os objectivos.
1.2 Estudo das séries de referência para a estimação do potencial eólico em Cascais
Relativamente às estações de referência para Cascais, a estimação do potencial eólico para a região foi feito com base nas séries de velocidade e direcção do vento das estações do Cabo Raso e de Tires/Aeródromo, ambas cedidas pela Câmara Municipal de Cascais (Quadro 3). A estação do Cabo Raso localiza-se na linha de costa oeste do concelho de Cascais, sendo a estação de Tires mais interior, na parte oriental do concelho (Figura 10).5
http://www.cgd.ucar.edu/cas/jhurrell/indices.html
21 Quadro 3 – Caracterização das estações de referência para o concelho de Cascais.
Período Latitude (N) Longitude (W) Altitude (m) Início de
actividade
Tires/Aeródromo 2005-2008 38°43’ 9°21’ 10
Cabo Raso 2005-2008 38°42’ 9°29 9 1-4-1999
Figura 10 – Localização das estações de referência para o estudo do potencial eólico em Cascais. Poste do
anemómetro (9 m) da estação do Cabo Raso (A) e torre do anemómetro (10 m) da estação de Tires/Aeródromo (B).
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A série do Cabo Raso apresentava valores diários entre 2005 e 2008 mas com um relativo número de falta de dados nos anos de 2005, 2006 e 2007.
Para a estação de Tires, foi necessário um tratamento de dados mais exaustivo já que a série contava com mais de vinte e cinco milhões de registos uma vez que o anemómetro recolheu valores de 3 em 3 segundos (em média). Para que os dados pudessem ser melhor utilizados e para terem as mesmas características da série do Cabo Raso, calcularam-se as médias diárias da velocidade do vento (tratamento estatístico em linguagem SQL) e, no caso das direcções, considerou-se o rumo modal diário.
Para validar este processo, utilizou-se a aplicação OWC (Observed Wind Climate) do
software WAsP que transforma e resume a informação do vento numa série de distribuição de
Weibull. Essa distribuição é caracterizada por um parâmetro adimensional de forma (k) e um parâmetro proporcional à velocidade do vento (A) (Lopes, 2003), para além de determinar a velocidade do vento média da distribuição (Ū).
De acordo com o Quadro 4, poder-se-á assumir que no caso das velocidades (para A e Ū) as diferenças não são significativas (em média 0.2 m/s nos quatro anos) considerando o benefício que a redução do número de dados comporta. O parâmetro de forma (k) teria necessariamente de alterar devido à redistribuição dos valores mas, uma vez mais, dada a profusão de dados iniciais, o cálculo das médias diárias foi importante.
Quadro 4 – Comparação estatística de Weibull entre a série completa (total) e série média diária (χ diária)
para a estação de Tires.
2005 2006 2007 2008
total χ diária Δ total χ diária Δ total χ diária Δ total χ diária Δ
A (m/s) 4,2 4 -0,2 4,3 4,1 -0,2 4,2 4,1 -0,1 4,4 4,2 -0,2
k 1,73 2,29 0,56 1,55 1,85 0,3 1,55 1,87 0,32 1,63 2,05 0,4
Ū (m/s) 3,72 3,56 -0,2 3,87 3,64 -0,2 3,82 3,63 -0,2 3,93 3,63 -0,3
Analisando apenas o ano de 2008 (único ano completo para a estação do Cabo Raso), a Figura x mostra que a distribuição e a frequência dos rumos de vento não se altera significativamente após o cálculo das médias diárias; há um aumento de aproximadamente 5% do fluxo norte entre A e B, face à redução dos fluxos de NW e de NE.
23 Figura 11 – Comparação entre os rumos de vento em 2008, da série de Tires completa (A) e da série de
velocidades médias diárias (B).
A utilização de um ano de dados é considerado o mínimo necessário efectuar o estudo de implementação de parques eólicos, sendo obrigatório conhecer o potencial do local em questão (Esteves, 2004). Deste modo, utilizou-se o ano de 2008 para a modelação do vento na região de Cascais, tendo por base as estações do Cabo Raso e de Tires/Aeródromo à altura standard de 10 metros (Linacre, 1992).
A estimação do vento superficial em Cascais, foi feito a partir do software WAsP7 que se baseia nos “princípios físicos do escoamento na camada limite da atmosfera e permite estimar
influências locais de (...) obstáculos (prédios, árvores e outros elemento)s que constituem a rugosidade da superfície sobre o vento” (Lopes, 2003). O WAsP assume as condições de atmosfera
neutra, sem incluir a variação vertical dos aspectos térmicos do escoamento (o arrefecimento e o aquecimento não são tidos em conta). Os inputs necessários para a utilização do software foram: rugosidade aerodinâmica, relevo (modelo digital de terreno) e a série de vento para cada uma das estações meteorológicas.
O escoamento em condições de estratificação neutra dá-se na Camada Limite da Atmosfera (CLA), camada de ar imediatamente superior à superfície terrestre onde as dinâmicas de atrito são sentidas quase imediatamente (Lopes, 2003). É composta pela camada interna (ou de superfície) – que importa desenvolver – e a camada externa.
Na camada interna da CLA que os ventos superficiais são influenciados pelas forças de atrito impostas pela rugosidade. A camada interna comporta igualmente duas sub-camadas: a rugosa e a de inércia. É na camada rugosa que se dá grande parte da transformação dos fluxos de vento uma vez que num primeiro momento de contacto (alguns milímetros) o fluxo adere a todas as superfícies (escoamento laminar) e posteriormente, dependendo das características do terreno, geram-se fluxos mais complexos como vórtices ou turbilhões (Lopes, 2003).
7 Desenvolvido pelo Wind Energy Department – Risoe National Laboratory (Dinamarca).
24
Existe uma relação directa entre a CLA e a rugosidade, expressa pela diminuição do gradiente vertical do vento face ao aumento da rugosidade (Oke, 1987; Lopes, 2003) pelo que cada local possui as suas próprias características e condições de fluxo.
Os diferentes tipos de superfície (Figura 12) implicam diferenças nos perfis logarítmicos do vento, em atmosfera neutra. O topo da camada limite, onde a velocidade média do vento se mantém constante, varia consoante a superfície que o fluxo atravessa: quanto maior a rugosidade, maior a espessura da CLA e menor a velocidade do vento à superfície; em campo aberto, atingem-se velocidade mais elevadas a uma altitude mais baixa que nas áreas urbanas onde a rugosidade é normalmente, muito maior.
Figura 12: Perfis logarítmicos do vento, em atmosfera neutra e para diferentes superfícies (Lopes, 2003).
1.3 Informação cartográfica
A informação cartográfica digital, foi cedida pela Câmara Municipal de Cascais, incluindo um conjunto de ficheiros relativos às ruas e vias do concelho, malha urbana, espaços verdes, áreas protegidas, topografia, Reserva Agrícola Nacional, Reserva Ecológica Nacional e o Plano Director Municipal (PDM). Desta informação resultaram os mapas de enquadramento da área de estudo (declives, área urbanizada e mapa de restrições ambientais).
25
Para a construção do mapa de rugosidades, para além dos ficheiros de informação urbana (edificação, ruas e espaços verdes e PDM) e topografia, utilizou-se ainda a informação relativa à ocupação do do solo definida pela CorineLandCover 2006, obtida através do sítio da internet do Instituto Geográfico Português8.
Toda a informação encontra-se georreferenciada no sistema Lisboa Hayford Gauss IPCC e foi tratada em ambiente SIG com o software ArcGIS 9.3 (ESRI© 2008).
2. Variabilidade climática do vento no Atlântico Norte e no Mediterrâneo
2.1 Variabilidade e alterações climáticas
A comunidade científica tem vindo a dedicar-se ao estudo da influência humana no clima e por consequência, aos sistemas socioeconómicos e ecológicos (Kotroni et al, 2008). A temática das alterações climáticas está a ser cada vez mais discutida e estudada, não só pelos efeitos negativos que produz a curto prazo no ambiente mas também pelos impactes directos com consequências socioeconómicas e ambientais severas, principalmente tempestades, cheias, secas e outros desastres naturais.
Na década de 80 do século XX, que o conceito de alteração climática foi introduzido nos estudos sobre o clima (Kelts, 1992; Szentimrey et al, 1992), sobretudo na análise dos ritmos e tendências das variáveis climáticas. A variabilidade é uma característica intrínseca do clima (Petersen, et al, 1997) medida pelos desvios de valores mensais estacionais, anuais ou de grupos
de anos em relação a valores médios de um período determinado (Alcoforado, 1999). Por outro
lado, alteração climática refere-se a uma variação estatisticamente significativa da média (...) dos
parâmetros que definem o clima e que persiste durante um período longo. Os conceitos
distinguem-se não pelo facto da alteração climática poder ser devida a causas antrópicas e/ou naturais mas por ser medida pela diferença de valores médios de períodos longos e sobretudo
pela variação de ocorrência de fenómenos extremos (Alcoforado, 2009).
Conhecer as descontinuidades e tendências dos climas passados, induzidas unicamente por causas naturais, permite identificar os mesmos padrões em períodos recentes e assim reconhecer e distinguir a variabilidade climática da alteração climática (Alcoforado, 1999).
26
Segundo o IPCC, a temperatura global do planeta sofreu um aumento de cerca de 0.3 a 0.6 °C desde a segunda metade do século XIX (Werner et al, 2000). No entanto estes valores não podem ser considerados excessivos quanto à variabilidade natural. A avaliação de outras variáveis dos processos dinâmicos do clima associados ao conceito de alteração climática é fundamental para conhecer as mudanças abruptas ou as pontuais (Werner et al, 2000; Tuller, 2004). Tuller (2004) refere que não há nenhum impacte no clima ou na variação climática que não envolva a
componente velocidade do vento (entenda-se escoamento atmosférico), directa ou indirectamente, já que esta é responsável pelo transporte de partículas e pela transferência de
calor e humidade (Klink, 2002) fundamental para as fontes renováveis de energia.
Porém, e excluindo a questão energética, ainda não é conhecido se a alteração de regimes de vento constitui factor positivo ou negativo no aquecimento global (é também um objecto de investigação) e de que modo influenciará os custos económicos associados às variações climáticas regionais e globais (Pryor, et al, 2006).
2.2 A Oscilação do Atlântico Norte (NAO)
A análise de indicadores que apontem para mudanças abruptas nos campos de pressão e na circulação atmosférica é fundamental para entender as variações do clima. A North Atlantic Oscillation (NAO) é um desses indicadores que revela alterações recentes (década de 90) com efeitos no clima da Europa (Werner, et al, 2000; Marshall, et al, 2001; Trigo, et al, 2002; Gomes, 2005).
Os registos da NAO datam pelo menos de 1841 o que fornece registos históricos fundamentais para perceber o clima do passado, reconstruir tendências e estudar outras variáveis climáticas associadas. Dada a sua génese, a NAO representa uma fonte de variabilidade climática no Atlântico Norte.
É definida normalmente pela diferença de pressão registada entre a Islândia (Stykkisholmur) e os Açores (Ponta Delgada), caracterizando-se por uma fase positiva onde as pressões são mais altas nos Açores do que na Islândia e uma fase negativa quando ocorre um esbatimento da diferença de pressão. No primeiro caso, um maior gradiente de pressão norte-sul intensifica os ventos de oeste em altitude na faixa entre os 50° e o 60° norte de latitude sendo o tipo de circulação zonal rápida, o factor que potencia o aparecimento de centros de altas pressões à latitude da Península Ibérica. Na fase negativa, dá-se uma diminuição do gradiente e o consequente enfraquecimento dos ventos de oeste que induz uma circulação meridiana mais lenta e por vezes com situações de bloqueio (Ferreira, 2005a; Gomes, 2005).
27 Figura 13 – Evolução do índice NAO desde 1860 a 2000, com ênfase para os valores desde 1900. (extraído
de: www.ldeo.columbia.edu/NAO )
Esta oscilação tem apresentado ao longo das décadas (desde o seu registo) um ritmo muito próprio (Figura 13), com mudança de sinal em média de 30 em 30 anos (Ferreira, 2005b). Desde o principio do século XX registou cinco fases positivas mas estas têm vindo a perder amplitude.
De 1900 até meados dos anos 30 (exceptuando os invernos de 1916 a 1919), o índice foi elevado apresentando desde meados da década de 40 até à década de 70, uma tendência de descida; a partir de então e até ao final do século, o índice manteve-se numa fase positiva forte com uma tendência de aumento, registando no fim dos anos 90 os valores mais elevados (Marshall, et al, 2001). O mesmo autor, refere que houve um aumento quantitativo das velocidades médias do vento no Atlântico Norte, sobretudo entre meados de 1970 e 2000, correspondendo a uma fase positiva.
Actualmente encontra-se nessa fase positiva que é particularmente duradoura, tendo sofrido apenas breves interrupções de quatro ou cincos anos desde o início da década de 70, o que implica altas pressões constantes em Ponta Delgada (Ferreira, 2005b).
Sobre as consequências climáticas da NAO, é possível concluir que uma fase positiva do índice corresponde a uma intensificação dos ventos de Oeste, que chegam com maior velocidade
nas regiões subpolares e guiam tempestades que atravessam o Atlântico entre a Terra Nova (América do Norte) e a Europa do Norte (Gomes, 2005).
28
As velocidades do vento na Europa Ocidental estão fortemente ligadas à ocorrência e aos movimentos de centros de baixas pressões. Os ventos mais fortes ocorrem nas áreas costeiras expostas a NW que estão no seguimento da passagem de sistemas frontais.
Em Portugal Continental, a sazonalidade dos padrões de pressão e o comportamento da NAO são decisivos para entender os regimes de vento na costa ocidental. As fases da NAO podem associar-se à localização e à intensidade da corrente de jacto, logo da trajectória das depressões no Atlântico Norte (Gomes, 2005).
Assim, e segundo Ferreira (2005a), durante o verão os anticiclones subtropicais (como o Anticiclone dos Açores) são alimentados pelos constantes movimentos descendentes do ar (ramo descendente da célula tropical de Hadley e o Anticiclone dos Açores dirige os ventos de norte que são alimentados ao longo da costa pelas massas de ar quentes provocando muitas vezes depressões térmicas que acentuam o fluxo de norte; dá-se a intensificação da Nortada (na maior parte dos anos, surge em meados de Abril) alimentada pelo regime de altas pressões da circulação meridiana.
2.3 Modificações recentes e futuras do vento na Europa
O Atlântico Norte e o Mediterrâneo têm sido as regiões mais estudadas para entender a dinâmica e modificações dos regimes de vento. A análise regional fornece uma boa resolução espacial e temporal e é ideal para estudos detalhados das condições médias do vento e os seus extremos (Rockel e Woth, 2007; Kotroni, et al, 2008) necessários para avaliar o vento. Estes factores fazem parte dos Modelos Climáticos Regionais (RCM), instrumentos de investigação de estudos recentes feitos acerca de alterações futuras nas velocidades do vento, na Europa.
Apesar de serem modelos mais detalhados do que os modelos globais (GCM), têm as suas limitações ao nível da especificação de cenários de emissão e de mudanças no uso do solo (Pryor,
et al, 2005; Rockel e Woth, 2007). A criação de modelos climáticos pode no entanto ajudar a
diminuir a incerteza quanto a tendências futuras já que a simulação do sistema climático, mais ou menos complexo, permite interpretar o comportamento do clima e validar cada vez com mais precisão, os cenários traçados (Santos, 2006).
29
A investigação efectuada sobre o vento no norte da Europa, refere que a sua velocidade aumentou de forma significativa durante a segunda metade do século XX, principalmente no inverno (Pryor, et al, 2003; Pryor, et al, 2005d; Pryor, et al, 2006b; Rockel e Woth, 2007).
É difícil prever as tendências da velocidade do vento porque que depende do modelo climático que é utilizado (IPCC, 2007) mantendo-se a incerteza na comunidade científica. Apesar de se assumir que a sazonalidade dos ventos será cada vez mais vincada (Pryor, et al, 2003; Bloom, et al, 2008) não é possível afirmar com rigor a “quantidade” de vento que vai aumentar ou diminuir, apenas tentar entender os comportamentos do vento a diferentes escalas, com base nos registos do passado. Esse é, como já foi referido, um dos objectivos propostos, já que os registos de vento mais antigos não são uma fonte de informação completa pelo que será necessário estimar o vento de pelo menos 150 anos atrás.
Segundo a análise da circulação atmosférica, feita para a região do Báltico na segunda metade do século XX (Pryor, et al, 2003) através de simulações com um elevado gradiente de pressão norte-sul, revela ventos mais fortes devido à deslocação da actividade ciclónica e do maior gradiente de pressão e uma redução no Mediterrâneo.
Os estudos sobre o vento e a energia eólica associada que têm sido feitos incidem sobretudo em duas áreas do Atlântico Norte, o Báltico e o Mediterrâneo. Apresenta-se um breve o resumo das principais conclusões, que ajudam a enquadrar os objectivos desta dissertação. Sobre a Península Ibérica, apresenta-se também algumas conclusões que ajudam a compreender possíveis tendências para Portugal Continental.
2.3.1 Báltico e norte da Europa
Surgem cada vez mais estudos que já incluem a questão energética e o potencial eólico das regiões estudadas (Pryor, et al, 2005b; Pryor, et al, 2005d; Pryor, et al, 2006a; Kotroni, et al, 2008; Bloom, et al, 2008), introduzindo uma nova perspectiva de análise relativamente às dinâmicas do vento.
A região do Báltico é dominada pela passagem de sistemas de baixas pressões todo ano e que geram sobretudo nas regiões costeiras fortes tempestadas (Pryor, et al, 2003) explicada pela fase positiva da NAO. OS autores referem também um aumento de 0.25 m/s por década, da velocidade média do vento no sudoeste desta região no período de 1953 a 1999.
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A tendência de aumento da velocidade do vento no Báltico a média da densidade energética de fonte eólica durante grande parte do próximo século será semelhante à média verificada entre 1958 e 2001, à excepção do nordeste da bacia que aumentará ligeiramente e do sudoeste, com tendência contrária (Pryor, et al, 2005d). Estas conclusões basearam-se num estudo que simula a energia eólica na região para o período de 2071-2100, com base nos cenários A2 e B2 do IPCC e que exige permanentes actualizações.
Noutro estudo, Rockel e Woth (2007) dividem a Europa em oito sub-regiões (entre elas a Península Ibérica) e investigam a variação inter-mensal do vento e as possíveis diferenças entre o clima actual e o futuro. A partir da utilização de um conjunto de modelos regionais, concluem que pode ocorrer um possível aumento das velocidades médias diárias durante os meses de inverno e uma diminuição durante o outono, nas regiões afectadas pelos ciclones extra-tropicais do Atlântico Norte. Contudo, apenas em algumas regiões da Europa e para alguns meses, os modelos coincidiram nas tendências de alteração.
A partir dos cenários do IPCC, a Grã-Bretanha é a região com as maiores velocidades estimadas no futuro, mostrando um aumento significativo nos meses de inverno e diminuição no fim do verão e princípio do outono. A costa francesa apresenta um comportamento semelhante mas com velocidades cerca de 2 m/s mais baixas. Na Europa central previu-se um aumento geral das velocidades máximas do vento onde nos meses de Março e Abril termina quase abruptamente uma tendência de ventos fortes que ocorria desde Janeiro.
2.3.2 Mediterrâneo
Os estudos feitos para o Mediterrâneo elaborados por Pirazzoli e Tomassin (1999, 2003) e Bloom, et al (2008) analisam respectivamente a região do Adriático e o leste do Mediterrâneo.
No primeiro caso são analisadas as tendências de mudança na direcção e velocidade do vento durante a segunda metade do século XX, em 17 estações costeiras de Itália. As conclusões indicam uma diminuição da velocidade desde 1951 até meados dos anos 70, seguindo de um aumento contínuo desde aí. As tendências têm uma correlação positiva com as alterações na temperatura e os autores apresentam um conjunto de resultados que sugere uma mudança nas tendências climáticas em meados da década de 70 no Mediterrâneo, tendo ocorrido entre 1946 e 1975 uma pequena descida das temperaturas, seguida de um rápido aumento entre 1976 até 2000, fases quase coincidentes com as verificadas para o vento.
31
O segundo estudo, prevê que as velocidades do vento no leste do Mediterrâneo sofrerão um aumento entre 2071-2100 em terra e diminuindo no mar, excepto no Mar Egeu; os ventos em terra diminuirão a sua velocidade entre Dezembro e Janeiro, sendo relativamente elevados entre Abril e Agosto. Contudo, a análise dos dados mensais permitiu aos autores mostrar que as diferenças nas velocidades de vento, entre o presente e o futuro, indiciam uma forte sazonalidade.
2.3.3 Península Ibérica e Portugal Continental
Na Península Ibérica, o ciclo anual (ventos mais fortes no inverno, mais fracos no verão) é muito menos vincado do que nas regiões do norte da Europa sendo que a maior parte dos modelos mostram um pequeno aumento durante a primavera até Julho e uma diminuição durante o outono e o inverno (Rockel e Woth, 2007).
Para Portugal Continental, Reis, et al (2006) constatam que entre 1941 e 2000, a média anual de velocidade do vento – nas estações costeiras ocidentais (Instituto de Meteorologia) do Porto, Cabo Carvoeiro, Lisboa e Sagres – sofreu uma diminuição de aproximadamente 0.01 m/s por ano ao contrário da costa algarvia, que aumentou embora sem alcançar os valores das estações anteriores.
Uma maneira de compreender como evoluiu o vento nas áreas costeiras é analisando a temperatura superficial do mar. Em estudos sobre o upwelling na costa ocidental efectuado através da análise das médias mensais da componente meridional do vento e da temperatura superficial do mar entre 1941 e 2000, Lemos e Pires (2004) e Reis, et al (2006) concluiram que existe um evidente enfraquecimento do regime de afloramento onde os ventos de norte favoráveis ao afloramento sofreram uma forte redução em vários meses do ano (entre Abril e Setembro, apesar de estarem relativamente elevados em Março). Estes resultados foram explicados pelo aumento da temperatura superficial do mar ao longo dos anos, cerca de 0.01°C por ano (Reis, et al, 2006) o que sugere uma fraca dinâmica de upwelling.
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Por seu lado, o SIAM II (2006) aborda também as questões relativas às alterações climáticas, introduzidas nos modelos regionais que simulam cenários. Numa análise para o cenário A2 (Figura 14), registou-se um ligeiro enfraquecimento da velocidade do vento nas regiões costeiras, relativamente à simulação de controlo, enquanto que o cenário B2 (Figura 14) não registou qualquer alteração relevante. Contudo, comparando as duas projecções, existe um ligeiro fortalecimento do vento costeiro durante o verão, para o cenário B2, o que é contraditório com os resultados do estudo anterior.
Estes resultados contraditórios revelam que é necessário continuar a estudar os regimes de vento em Portugal e determinar se uma eventual redução dos ventos favoráveis ao afloramento são uma consequência da variabilidade natural do clima ou do aquecimento global. Conhecer todas estas tendências e metodologias, é um exercício importante. As velocidades médias do vento diferem aproximadamente 15% desde o fim do século XX e as primeiras projecções para o século XXI (Pryor, et al, 2006). Existem também investigações anteriores, citadas por Pryor, et al (2003), que identificaram mudanças sistemáticas num conjunto de variáveis atmosféricas, em grandes escalas espaciais durante o século passado pelo que se justifica o conhecimento sustentado das mudanças que podem ocorrer nos regimes de vento e por conseguinte, na energia eólica disponível para desenvolver a sua produção (Bloom, et al, 2008).
Figura 14 – Linhas de força dos cenários SRES (Special Report On Emissions Scenarios) do IPCC, a nível global
33 Figura 15 – Tendências recentes da
