Energia Oceânica

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Energia Oceânica
 Questão tecnológica – barreira;
 Tecnologias de conversão em energia elétrica - em fase de maturação;
 Equipamentos - protótipos não consolidados;
 Não tem uma tecnologia referência;
Contextualização
Potencial brasileiro está situado em regiões de costa com grande relevância ambiental ou turística - limitador ao desenvolvimento da fonte;
Pouco conhecimento dos impactos - as iniciativas brasileiras são pontuais e de pouca expressividade;
Perspectiva promissora - energia limpa e renovável.
1 - Introdução
O oceano pode ser considerado um enorme reservatório de energia térmica e mecânica.
Entretanto, apenas a energia mecânica pode ser eficientemente aproveitada. 
Opção estudada em diversos países. 
Limpa, de alta densidade energética.
há uma potencial proximidade entre os centros de geração e consumo.
A energia oceânica pode ser dividida em função de sua origem, sendo de maior relevância no contexto da geração elétrica as advindas das marés, ondas e correntes marinhas. 
Com menor representatividade, no cenário atual, está a energia oriunda dos gradientes de temperatura e salinidade da água do mar. 
A geração de energia proveniente dos oceanos ainda se encontrar em fase de desenvolvimento.
Atrai atenção e interesse crescentes das comunidades científicas e governamentais. 
Alternativa ao suprimento da demanda elétrica e à diversificação da matriz. 
Panorama Mundial e Nacional do Uso da Energia oceânica
Panorama Mundial da Energia Oceânica
2014 - capacidade instalada era de 534 MW, a maioria categorizada como “energia de marés”
França (240 MW) – 1966
Coréia do Sul (254 MW) – 2011
Canadá (20 MW) – 1984
China (3,9 MW) – 1980
Capacidade instalada em projetos de geração oceânica 
Apesar de iniciativas, a representatividade da fonte oceânica na matriz energética mundial é tímida, mesmo apresentando um potencial elevado, devido o alto preço de venda da energia. 
Elevado potencial mundial (2.050.000 TWh/ano), que representa cerca de 20 vezes o consumo total de energia mundial em 2013;
Baixa competitividade econômica da tecnologia;
 
Projetos de caráter piloto ou de demonstração.
Bastante restrito até o momento, estando relacionado a poucos projetos pilotos, concluídos ou em desenvolvimento;
Conversor de ondas onshore, no porto de Pecém (100 kW);
O projeto foi financiado pela Tractebel Energia no âmbito do programa de P&D da ANEEL, e concluído em 2012;
Panorama Nacional
Projeto em desenvolvimento de um conversor de ondas offshore (profundidade de até 30 metros - litoral do Rio de Janeiro);
A energia gerada deve ser transmitida para a terra através de cabos submarinos;
O projeto é financiado por Furnas no âmbito do Programa P&D da ANEEL, e tem como executora a COPPE/UFRJ e a empresa Seahorse Wave Energy. 
Barragem do Bacanga, em São Luis (MA) – usina maremotriz (72 MW);
Objetivo principal foi construção de uma rodovia para diminuir o percurso entre a capital do estado e o Porto de Itaqui (anos 70);
O projeto foi descartado devido à falta de viabilidade econômica;
Uso e ocupação nas margens do estuário e do assoreamento no local. 
Ainda em fase de projeto, existem no Brasil outras iniciativas, como:
 
• Estudo de viabilidade técnica e econômica (EVTE) – Projeto para testes do conversor de ondas, em modelo reduzido, no tanque oceânico da COPPE/UFRJ, visando à elaboração de um EVTE – Financiado pela Petrobras – Concluído em 2010; 
• Conversor de correntes - Turbina hidrocinética para correntes de maré, de foz de rio ou marinhas – Financiado pela Endesa Fortaleza, com recursos do programa P&D da ANEEL; 
Levantamento do Recurso Oceânico:
Conceitos e Premissas:
Energia das Ondas
Energia gerada pela forço dos ventos na água;
Uma forma de energia solar;
	
Fator de acumulação de energia:
 Fator de acumulação de energia solar na formação dos ventos é 2 a 6 vezes;
 Fator de acumulação da energia eólica em energia de onda é de aproximadamente 5 vezes. 
Portanto, a energia das ondas é de 10 a 30 vezes mais densa que a solar (TOLMASQUIM, 2003, COPPE/UFRJ; SEAHORSE WAVE ENERGY, 2013). 
A energia das ondas pode ser decomposta em:
Energia cinética das partículas de água, as quais geralmente seguem trajetórias circulares;
Energia potencial das partículas de água.
Representação das duas formas de energia das ondas 
Fonte: Adaptado de Centre for Renewable Energy Sources, 2006.
Energia das Marés
São movimentos oscilatórios do nível do mar observados tanto na linha de costa quanto na região oceânica, resultantes da interação entre a maré astronômica e a maré meteorológica. 
A principal componente da maré observada é a maré astronômica, causada majoritariamente pela resultante gravitacional do sistema Sol−Terra−Lua, o qual depende diretamente das massas dos corpos celestes e inversamente do cubo da distância entre eles. 
A maré com maior amplitude ocorre nos períodos de lua cheia e nova (alinhamento entre o Sol, a Terra e a Lua).
 As forças gravitacionais exercidas pelo Sol e pela Lua sob a massa d’água da Terra são somadas. 
Nas luas crescente e minguante resultando em uma maré de menor amplitude (não estão alinhados)
A força gravitacional exercida pela Lua é influenciada pela gerada pelo Sol.
Maré astronômica. Fonte: http://www.if.ufrgs.br/.
A força geradora das marés depende da diferença da força gravitacional na superfície, calculada pela derivada da equação da Lei da Gravitação Universal de Newton. 
Nesse caso, a força diminui com o cubo da distância entre os corpos. 
O efeito de sua força gravitacional da Lua (mais próximo) é mais pronunciado, mesmo tendo o Sol uma massa milhares de vezes maior. 
Os pontos com distâncias menores em relação à Lua, como as regiões próximas à linha do Equador, sofrem uma força gravitacional maior se comparadas aos locais mais próximos dos pólos. 
Como resultado do movimento periódico dos astros, as marés apresentam ocorrência entre 12 e 24 horas, em função da localização no globo terrestre.
Fenômenos metereológicos ( chamado de fenômeno meterológico (chamada de maré metereológica, a forma dos litorais e a batimetria do fundo.
Batimetria: topografia do leito marinho.
A maré metereologica é o resultado da interação atmosfera-oceano na maré astronômica, causado por variações de pressão e ventos acarretando no aumento ou diminuição do nível do mar.
Maiores variações são associadas à posição e as características da costa.
Ao alcançar a plataforma continental e a área costeira adjacente, a onda de maré sofre transformações.
Transformações como refração, reflexão e difração, além de interferências causadas pela batimetria.
Energia das Correntes:
Podem ser classificadas em marítimas, de densidade, e de maré, de vento e litorâneas. 
*mais intensas e com maior potencial energético.
As correntes marítimas são deslocamentos contínuos das águas oceânicas, com o mesmo sentido e velocidade. 
Apresentam cursos bastante regulares (variação na densidade das provocada pela diferença de temperatura e salinidade da água). 
A velocidade dessas correntes pode atingir valores da ordem de 1 m/s.
As correntes de maré, por sua vez, são de importância e magnitude variáveis, dadas pela sua localização. 
Sendo correntes cíclicas, podem ser significativas para a exploração de energia, especialmente nas embocaduras de estuários, onde atingem velocidades superiores a 2 m/s
Gradiente de Temperatura
A energia solar que atinge à superfície terrestre é de cerca de 885 milhões de TWh/ano. 
Os oceanos, com uma superfície de 361 milhões de km², aproximadamente 71% do total da Terra, e um volume de 1.370 km³, atuam como grandes sistemas coletores e de armazenamento dessa energia. 
A conversão da energia térmica requer uma diferença mínima de 20°C.
Água da superfície, 24 a 25°C e do fundo do mar, entre 4 e 5°C a aproximadamente 1.000 m de profundidade (entre os trópicos). 
O gradiente de salinidade entre dois corpos d’água contém um elevado potencial osmótico, como, porexemplo, no encontro entre as águas do rio e do mar.
Ex.: Eletro−Diálise Reversa (RED) e a Osmose Retardada de Pressão (PRO).
Gradiente de Salinidade
Recurso Oceânico Nacional
A extensa costa brasileira e as vastas áreas de mar territorial são condições naturais para o aproveitamento energético dos recursos do mar. 
O regime de ondas no Brasil possui mais de um sistema característico de agitação: 
a vaga (wind sea) é gerada pelos ventos alísios e frequente o ano inteiro; 
a ondulação (swell) está associada a passagens de frentes frias, resultantes da migração dos anticiclones extratropicais. 
Aproveitamento da maré - regiões de macro-maré (amplitude de até 8 metros, no litoral do Amapá, Pará e Maranhão). 
As regiões Sul e Sudeste - ondulações mais energéticas, associadas às frentes frias em algumas épocas do ano.
O litoral do nordeste é caracterizado por ondulações menores, porém constantes no ano todo, causadas pelos ventos alísios.
Legenda:
verde = ondas; vermelho = marés. 
Potencial teórico brasileiro estimado de ondas e marés
Potencial energético oceânico por UF 
Princípios de Funcionamento
Energia das Ondas
Primeiros registros datam do século XVII;
Investimento nesse tipo de energia foi mais expressivo a partir da década de 70 (crise do petróleo);
 
Diversidade de dispositivos ocorre pelo desenvolvimento específico para maximizar o aproveitamento em função das características locais e o regime de ondas;
Estes dispositivos podem estar situados:
Na linha de costa (onshore);
Em regiões de águas rasas (nearshore);
Em regiões oceânicas (offshore). 
Com a passagem da onda, ocorre a elevação e diminuição da coluna de água dentro da câmara, que desloca o ar por uma turbina, gerando energia elétrica. 
Oscilação de uma coluna de água em uma estrutura parcialmente submersa contendo certa quantidade de ar.
Princípio de funcionamento de dispositivo de coluna de água oscilante para aproveitamento da energia das ondas onshore 
Estas estruturas estão comumente localizadas na linha de costa porém, mais recentemente se tem observado o desenvolvimento de estruturas flutuantes que utilizam o mesmo princípio de funcionamento.
Exemplo de dispositivo de coluna de água oscilante para aproveitamento da energia das ondas nearshore 
Outra concepção para o aproveitamento da energia das ondas é a baseada no galgamento da água para um reservatório com o auxílio de um direcionador e rampa. 
O galgamento é a passagem da água por um dispositivo relativamente elevado, em função do espraiamento da água pela dissipação da energia cinética. 
As ondas quebram e espraiam, chegando a um reservatório de acumulação, onde são instaladas turbinas de baixa queda para geração de energia
Estes dispositivos podem ser instalados tanto na linha de costa (onshore), chamado de Tapchan, quanto também em áreas abertas. .
Exemplo de dispositivo onshore de galgamento para aproveitamento da energia das ondas
A utilização de dispositivos oscilantes, com um sistema de boia e ancorado no fundo de simetria axial, converte a energia do movimento vertical com a passagem das ondas, em energia elétrica.
Em regiões rasas (near shore), um sistema similar, porém submerso, converte a energia do movimento pelo aumento da pressão na crista da onda em função da maior coluna d’água, e a respectiva diminuição da pressão na cava da mesma, resultando em um movimento também vertical do conversor, que posteriormente é convertido em eletricidade. 
Outro sistema de conversão desenvolvido para águas rasas é o de oscilação horizontal, composto por uma vela fixada a um eixo próximo ao fundo.
Exemplo de equipamento de conversão para aproveitamento da energia das ondas 
O movimento horizontal das partículas promove a articulação do braço, que posteriormente é convertido em energia elétrica. 
Equipamentos que geram energia elétrica pela atenuação das ondas sendo flutuantes e dispostos perpendicularmente à frente de onda. A passagem da onda do mar gera um movimento vertical e horizontal no equipamento, sendo a energia mecânica convertida em energia elétrica. 
Vela
Suporte
Exemplo de equipamento de conversão near shore para aproveitamento da energia das ondas 
Exemplo de equipamento de conversão por atenuação para aproveitamento da energia das ondas do tipo Pelamis 
Principio de funcionamento do equipamento de conversão por atenuação para aproveitamento da energia das ondas do tipo Pelamis 
Equipamentos utilizados para conversão do movimento das ondas em energia.
Cabe destacar o conversor desenvolvido no Brasil, pela COPPE/UFRJ instalado no Porto do PECEM em Fortaleza (CE), que capta o movimento vertical das ondas e, por meio de pistões hidráulicos, pressurizam a água, que movimentam uma turbina de 50 kW em cada módulo.
Usina de ondas do PECEM 
Energia das Marés
As usinas maremotrizes são comumente construídas em locais da zona costeira onde existe uma amplitude de maré elevada, e em regiões geomorfologicamente propícias para instalação de uma barragem. 
As primeiras iniciativas (primeira metade do século XX), mas somente em 1966 a primeira usina maremotriz entrou em operação na França (240 MW de potência instalada).
Desde então, somente outro grande projeto entrou em operação, em 2011, com 254 MW de potência instalada.
A energia potencial oriunda da variação de nível da água é convertida em energia quando ocorre a passagem da água por uma turbina, assim como numa hidrelétrica convencional. No entanto, as usinas de marés podem gerar energia elétrica tanto na maré vazante quanto na maré enchente
Esquema de funcionamento de uma usina maremotriz 
As correntes marinhas de maior velocidade podem ser utilizadas para geração de energia, e a tecnologia para transformação da energia cinética em energia elétrica é muito similar à da geração eólica. 
Diversas tecnologias existem para captação desta energia e transformação em eletricidade, com a utilização de rotores com eixo horizontal ou vertical, que se movimentam com a passagem da água. 
Como a tecnologia está em desenvolvimento, e as configurações dos rotores são adaptadas a cada estado de mar, existem diferentes arranjos para estes equipamentos.
Energia das Correntes
Os equipamentos podem ser fixos e funcionar em uma única profundidade ou móveis, onde existe a possibilidade de regulagem vertical.
Exemplo de equipamento fixo ao fundo de geração de eletricidade a partir das correntes marinhas 
Exemplo de equipamento com regulagem vertical de geração de eletricidade a partir das correntes marinhas 
A utilização das correntes marítimas oceânicas também está em avaliação técnico-econômica, mas direcionada para o abastecimento de plataformas de petróleo, com intuito de minimizar a queima de óleo diesel para geração de energia elétrica. 
Gradiente de Temperatura
A diferença de energia térmica entre as camadas superficiais dos oceanos e as camadas mais profundas é convertida em energia elétrica por meio de uma turbina de baixa pressão, de alta eficiência, devido à baixa variação de temperatura. 
Diagrama de funcionamento do OTEC. 
Processo de geração de energia pelo Ocean Thermal Energy Conversion – OTEC. 
Primeiros projetos para utilização da energia térmica dos oceanos datam do (final do século XIX).
Vale destacar uma iniciativa que ocorreu em 1935, na costa nordeste Brasileira, com a instalação de um navio com esta tecnologia de geração, que naufragou durante uma tempestade, antes de gerar energia potencialmente comercial.
Atualmente possuem operação na região onshore, mas podem tornar projetos viáveis economicamente até mesmo na região offshore.
Possibilidades de utilização da tecnologia OTEC onshore e offshore. 
Existem poucas plantas no mundo operando com esta tecnologia para gerar energia elétrica. 
Japão (50 kW de potência instalada);
Hawaii (105kW de potência instalada).
Geração de água doce para consumo, água em baixas temperaturas para resfriamento, águas ricas em nutrientes para fertilização, entre outros.
Gradiente deSalinidade
A diferença de salinidade pode gerar energia elétrica a partir do gradiente de pressão osmótica entre a água doce e a água marinha.
À medida que a água doce atravessa uma membrana semipermeável e intensifica o fluxo na câmara de água salgada, ocorre um aumento na pressão de saída de água. 
Este aumento na pressão de saída é captado por uma turbina hidráulica, promovendo a movimentação do rotor de geração de energia elétrica.
Ilustração esquemática de um sistema de geração osmótica (Pressure-Retarded Osmosis - PRO). 
Noruega (potencial de 2,85GW) - manteve em operação uma planta piloto entre 2009 e 2013. 
Falta de competitividade de preço da energia gerada.
Referências:
TOLMASQUIM, M. T. Energia Renovável: Hidráulica, Biomassa, Eólica, Solar, Oceânica. Empresa de Pesquisa Energética – EPE. Rio de Janeiro, 2016 . 
TOLMASQUIM, M. T. Fontes Renováveis de Energia no Brasil. [s.l.] Editora Interciência, 2003. 
COPPE/UFRJ; SEAHORSE WAVE ENERGY. Fontes de energia renovável do mar: Panorama no Brasil. [s.l.] Grupo de Energias Renováveis do Mar - Laboratório de Tecnologia Submarina, out. 2013.
https://www.youtube.com/watch?v=hWcuuQWybWg