ENERGIA UNDIMOTRIZ
DESCRIÇÃO BÁSICA
O Que É
A energia undimotriz é a energia das ondas marinhas.
As ondas marinhas são fonte de energia inesgotável e limpa. Quer dizer, que elas
representam uma excelente oportunidade para gerar energia elétrica em forma
sustentável.
Resenha Histórica
Os primeiros vestígios do uso da energia das ondas encontram-se na China, onde no
século XIII começaram a operar moinhos por ação do fluxo das ondas. No início deste
século, o francês Bouchaux-Pacei fornece eletricidade para sua casa em Royan, através
de um sistema pneumático similar às atuais colunas oscilantes. Nessa mesma época,
testaram-se sistemas mecânicos na Califórnia e, em 1920, foi ensaiado um motor de
pêndulo no Japão. A partir de 1921, o Instituto Oceanográfico de Mônaco, utiliza uma
bomba acionada por ondas para elevar água a 60 m com uma potência de 400 W. Em
1958, projeta-se uma central de 20 MW na ilha Maurício, que não chegou a ser
construída, e que consistia em uma rampa fixa sobre um recife através da qual subia a
água para uma represa situada 3 m acima do nível do mar. Nos anos 40, os franceses
construíram na Argélia duas estações-piloto padrão com canal convergente. Em 1975,
foi construído um sistema similar em Puerto Rico, com o objetivo de alimentar com
água um porto esportivo.
Um dos pioneiros no campo do aproveitamento da energia das ondas foi o japonês
Yoshio Masuda, quem começou suas pesquisas em 1945 e testou no mar, em 1947, o
primeiro protótipo de um Raft. A partir de 1960, elaborou um sistema pneumático para
carga de baterias em boias de navegação, com uma turbina de ar de 60 W, que vendeu
mais de 1.200 unidades.
Nos anos 1970, constrói-se no Japão uma plataforma flutuante de 80 m de comprimento
e 12 m de largura, denominada Kaimei, que compreende 11 câmaras para ensaios de
turbinas de ar. A pesquisa em grande escala sobre o aproveitamento da energia das
ondas se inicia a partir de 1974 em vários centros do Reino Unido, com o estudo de
sofisticados sistemas para grandes aproveitamentos, atividade que foi abandonada quase
totalmente em 1982 por falta de recursos econômicos. Em meados dos anos oitenta,
várias estações-piloto de diversos tipos começaram a operar na Europa e no Japão.
Como Funciona
As ondas marinhas se formam, principalmente, a partir da força de arrasto exercida
pelos ventos nas camadas superficiais da água do mar. A geração de ondas está afetada,
em menor grau, pelas forças gravitacionais e pelo efeito Coriolis e o movimento de
placas tectônicas.
Nota: As mudanças na pressão atmosférica geram os ventos e a rotação da terra o efeito
Coriolis.
Na figura 1, apresentam-se os diferentes tipos de onda, seu período e a força de geração
em função da capacidade para armazenamento de energia.
Figura 1
As ondas marinhas possuem a capacidade de armazenar sua energia e de se movimentar
por grandes distâncias sem sequer perder sua potência. Assim, é possível o
aparecimento de ondas em lugares onde não há vento. Esta é uma interessante diferença
com a energia eólica, onde necessariamente precisamos da presença do vento e,
conforme acima mencionado, as ondas podem aparecer mesmo sem a existência de
vento.
Predição do fenômeno
Tanto os sistemas satelitais como os sensores marinhos oferecem uma importante
quantidade de dados que possibilitam prever, com bastante precisão, a magnitude dos
ventos e, em consequência, permitem conhecer com antecipação a altura, o período e a
direção das ondas.
Parâmetros analíticos que definem as ondas marinhas
As ondas estão caraterizadas pelos parâmetros mencionados na figura 2.
Figura 2
Análise de comportamento das partículas que compõem as ondas
Na figura abaixo (figura 3), descreve-se o comportamento de uma partícula que faz
parte de uma onda marinha, segundo a distância até o fundo, a altura e comprimento de
onda dessa partícula pode apresentar diferentes tipos de trajetórias, que vão das
circulares até as elípticas.
Fig. 3
Formas de energia presentes em uma onda marinha
A energia que possuem as ondas marinhas pode ser analisada em várias expressões:
1. A energia cinética que é função da velocidade da onda.
2. A energia potencial que é função da altura da onda.
3. A energia hidráulica que é função do empuxo da água.
Conforme o tipo de energia a captar (figura 4) será projetado o dispositivo
correspondente.
Fig. 4
Formas de aproveitar essa energia
Existem diversas formas de aproveitar essa energia. A maior parte dos equipamentos
utiliza a energia potencial de elementos flutuantes para transformar sua energia
mecânica em energia elétrica, mediante a compressão de fluídos hidráulicos enviados a
uma turbina conectada a um gerador elétrico. Outros sistemas utilizam o ar de entrada
ou saída de uma câmara, onde o volume de ar aumenta ou diminui segundo a entrada ou
saída da onda. Este ar atravessa uma turbina que está conectada a um gerador elétrico.
Também, é possível aproveitar a diferença de pressão existente entre a crista e o vale da
onda, inserindo uma turbina de fluxo axial.
Sistema Undimotriz Padrão
As estações de transformação de energia undimotriz, também denominadas olamotriz,
estão conformadas, geralmente, por certa quantidade de dispositivos tipo parque. Em
sua maioria, os equipamentos modulares geram energia elétrica a alternada, no mesmo
equipamento é transformado em corrente contínua, depois essa energia é coletada
(figura 5) como corrente contínua de todos os equipamentos para ser enviada, mediante
um único cabo submarinho, a uma estação transformadora de corrente contínua a
alternada.
Coleta de energia elétrica dos dispositivos. Figura 5
MERCADO
Produção
Os dados são variados segundo a fonte consultada, já que o Organismo Internacional da
Energia estabeleceu, em 2009, que o recurso mundial era da ordem dos 200 MW e, em
outubro de 2011, uma das empresas líder na construção de equipamentos para geração
de energia hidráulica, que atualmente está se posicionando na fabricação de
equipamentos para aproveitamento de energia undimotriz, refere-se a 18 TW como a
potência presente na ordem mundial:
Apesar dessas diferenças, evidencia-se que o recurso é enorme e ainda não é explorado.
Custo de Produção
A energia undimotriz está em uma fase de transição, onde só nesta década estão sendo
instalandos equipamentos de fase comercial. Por esse motivo, os custos da energia são,
em princípio, altos como em qualquer nova tecnologia. O equipamento Pelamis, o mais
avançado comercialmente, tem um custo de 260 US$/MWh. Dos restantes
equipamentos, ainda não foram divulgados seus custos de energia. Estima-se que os
valores irão diminuindo conforme o avanço e o enraizamento da tecnologia. Com
certeza, em uma etapa inicial, na Argentina será preciso realizar um investimento inicial
para implementação dessa tecnologia em nosso país. Se analisarmos outra tecnologia,
no GENREN (Geração Renovável) foram concedidos projetos de energia eólica na faixa
entre 121 e 134 US$/MWh, biocombustíveis na ordem de 258 – 297 US$/MWh e
centrais solares fotovoltaicas em 547 -598 US$/MWh.
PROJETOS
Estado Atual
A maior parte dos projetos de aproveitamento da energia undimotriz está sendo
realizada na Grã-Bretanha, Portugal e Espanha. A maioria se encontra em estado
experimental e só alguns poucos em fase comercial.
A Agência Internacional de Energia (IEA por sua sigla em inglês) publicou que, no
decorrer de 2010, foram instalados equipamentos no âmbito marinho com potência total
de 6 MW, diferenciados 4 MW de energia maremotriz e 2 MW de energia undimotriz.
Existem diversos dispositivos em fase de experimentação. Em 2011 é possível
mencionar dois acontecimentos muito importantes: a Suíça apresentou um equipamento
de demonstração de 40 kW e, no território insular do Havaí, que pertence aos Estados
Unidos, aconteceu a conexão com a rede elétrica de um equipamento de 40 kW que
aproveita a energia undimotriz. Finalmente, Austrália continua trabalhando em um
projeto de 5 MW em suas costas do oeste.
Estações Comerciais
“Pelamis”:
O equipamento mais consolidado, do ponto de vista técnico e comercial, é o chamado
¨Pelamis¨, e conhecido por sua forma de serpente marinha (figura 6). Esse equipamento
está instalado em Portugal, a uma distância média da costa. Seu comprimento é de 140
m e o diâmetro de 3,5 m e conta com um conjunto de cilindros que flutuam. Esses
cilindros estão unidos através de articulações conformadas por pistões que comprimem
o fluído hidráulico. A liberação controlada desse fluído coloca em funcionamento uma
turbina conectada a um gerador de eletricidade.
O fluído elétrico é enviado até a costa mediante um cabo submarinho. Em resumo, o
equipamento copia o movimento ondular da superfície do mar e o transforma em
energia elétrica.
Este equipamento tem um potencial médio efetivo de trabalho de 750 kW. Nessas
condições, o equipamento pode fornecer energia elétrica para 500 lares.
Pelamis. Figura 6
“Mitruki”:
Outro dos equipamentos inaugurados em 2011 tem como base o sistema de coluna de
água oscilante, e está localizado na costa vasca da Espanha (figura 7). O equipamento
está instalado em um quebra-mar e tem como base o movimento das ondas sobre o
quebra-mar, que gera o deslocamento do ar contido em um duto. O movimento
ascendente e descendente das ondas produz um deslocamento similar ao do ar contido
que aciona uma turbina (figuras 7 e 8).
Mitruki. Figura 7
Esta estação tem uma potência instalada de 300 kW e ocupa uns 100 metros lineares de
quebra-mar.
Sistema de coluna de água oscilante. Figura 8
Desenvolvimento de Novos Projetos
Atualmente, são executados inúmeros projetos em diversos países. A Inglaterra tem
projetos avançados com potência de 7,4 MW, visando contar no futuro com 23 MW
instalados.
Na América Latina, o país mais avançado é o Brasil porque já testou seu protótipo em
um simulador de ondas no Rio de Janeiro e o está construindo nas costas do Estado de
Ceará. Tanto o Chile quanto o Peru estão investigando, mas ainda não concretizaram, a
instalação de qualquer equipamento.
Projetos na Argentina
Na Universidade Tecnológica Nacional – Faculdade Regional Buenos Aires (UTN –
FRBA pelas siglas em espanhol) foi organizado um grupo de pesquisa que trabalha no
desenvolvimento de equipamentos capazes de aproveitar a energia undimotriz. Este
grupo depende do Departamento de Engenharia Mecânica, conformado por um grupo de
profissionais docentes e pesquisadores acompanhados por bolsistas e alunos das
diversas especialidades da entidade. O grupo de trabalho está dirigido e coordenado
pelos engenheiros Mario Pelissero e Alejandro Haim, respectivamente.
Esta tarefa é realizada conjuntamente com a Câmara Argentina de Energias Renováveis
(CADER). Em 2010, foi criado o Comitê Hidráulico integrado por 3 subcomitês:
maremotriz, undimotriz e minihidro, o comitê de energia undimotriz é dirigido pelo
Eng. Alejandro Haim.
Este grupo de pesquisa desenvolve um conjunto de projetos ideia:
Boias Unidas a uma Coluna
Um dos projetos é um dispositivo que conta com duas boias unidas a uma coluna, onde
está situado um equipamento eletromecânico que transforma a energia das ondas em
energia elétrica (figura 9).
Figura 9
Imagem fictícia do equipamento instalado off shore da cidade de Mar del Plata. PBA. R.
Argentina
Boia de Movimento Vertical
Ainda, trabalha-se em outro equipamento que conta com uma boia cujo movimento só é
vertical e produz energia elétrica mediante um gerador linear. (Figura 10).
Figura 10
Esses equipamentos estão sendo calculados e projetados para sua colocação em locais
afastados da costa, onde as ondas não quebram ou descarregam. Assim, evita-se a
deterioração dos equipamentos em função do embate das ondas, também diminui o
impacto visual gerado pela presença desses equipamentos no mar. A distância dos
equipamentos até a costa dependerá do local, mas estima-se que será entre 1 e 4
quilômetros. As conexões com a unidade de transformação elétrica na costa se
realizarão mediante um cabo submarinho.
Os equipamentos contarão com uma potência de 20 kW e ocuparão uma superfície de
225 m2 cada. Um parque de 100 equipamentos terá uma potência de 2MW e pode
fornecer 5.000 lares (20.000 pessoas). Com esses equipamentos se evitará emitir 15.000
toneladas de CO2 anuais, que é o equivalente ao efeito depurativo de 2.000 hectares de
bosque.
Considerações
A energia gerada desses dispositivos pode ser catalogada como “energia limpa”. Esta
definição tem como base que, para sua geração, não precisa só do vento e não produz
qualquer tipo de produto residual nem emite dióxido de carbono no ambiente: só
acontece a conversão da energia undimotriz em fluído elétrico através de um dispositivo
eletromecânico.
Desde o início deste projeto, acordou-se entre seus integrantes que, para sua realização,
seriam observadas as leis e regulamentações inerentes ao cuidado do meio ambiente.
A instalação dos dispositivos se realizará em locais específicos de nosso mar, na forma
de “parques modulares de energia undimotriz”. Conforme é possível apreciar na figura
8, sua presença desde a costa será mínima. Ainda, propôs-se que a localização das
unidades de recepção do fluxo elétrico na costa seria em forma discreta; a fim de gerar a
menor perturbação possível no ambiente costeiro.
O impacto desta proposta resulta muito baixo se comparado com outros equipamentos,
como os aerogeradores eólicos instalados off shore na Holanda e na Dinamarca (figura
11).
Figura 11
Tanto os materiais de construção como as pinturas e produtos lubrificantes devem
passar por controles de qualidade que certifiquem sua biodegradabilidade e baixo
impacto no ambiente.
Esses parques ocuparão um espaço reduzido na superfície marítima. Porém, estudos
serão realizados em cada lugar para determinar seu efeito na atividade turística e, se
existir, na pesca comercial. Serão considerados os aspectos vinculados com a possível
alteração do regime de fluxo das correntes marinhas, para evitar mudanças na
morfologia das costas ou gerar alterações significativas na flora e fauna marinha.
Portanto, podemos dizer que as estações e os equipamentos undimotrizes são de
baixíssimo impacto ambiental, ao obter energia elétrica sem emitir gases de efeito estufa
durante seu funcionamento.
Em um futuro próximo, as matrizes energéticas estarão conformadas por energias
renováveis. Portanto, devemos estar prontos para isso. Nosso potencial em biomassa é
enorme e resulta, sem dúvidas, uma chave para nossa economia (agricultura, pecuária e
biocombustíveis). Os avanços em energia eólica e solar são indícios de que estamos
entendendo o que acontece e estamos nos preparando. Agora só falta dar outro passo e
sermos pioneiros na busca de outras alternativas derivadas de potenciais indiscutíveis,
tal como as derivadas do mar.
REFERÊNCIAS
Autor
Eng. Haim Pablo Alejandro: é Engenheiro Mecânico formado pela UTN-FRBA,
cursou o Mestrado de Energias Renováveis na UTN, está realizando sua tese sobre
energia solar térmica concentrada com a empresa Torresol Energy S.A. do Grupo
SENER da Espanha. É coordenador do Grupo de Pesquisa, Desenvolvimento e
Inovação de Energia Undimotriz da UTN-FRBA. Dissertou e apresentou posters em
congressos nacionais e internacionais, ganhou com seu Grupo de Energia Undimotriz o
concurso Inovar 2010 na categoria conceito inovador, e obtiveram o segundo lugar na
feira de projetos da UTN-FRBA de 2010. Atualmente, é Presidente do Subcomitê de
Energia Undimotriz da Câmara Argentina de Energias Renováveis. Também, Alejandro
é Professor e Tutor do Departamento de Engenharia Mecânica.
Departamento de Engenharia Mecânica. Faculdade Regional de Buenos Aires
Universidade Tecnológica Nacional
Integrantes do Grupo P+D+i Aproveitamento de Energia Undimotriz:
Diretor: Eng. Mario Pelissero
Coordenador: Eng. Pablo Alejandro Haim.
Integrantes: Eng. Guillermo Oliveto; Lic. Francisco Galia; Eng. Leonardo Plaun; Eng.
Ricardo Haim; Eng. Martín Haim; Eng. Federico Muiño; Eng. Diego Gagniere; Eng.
María Paula Bouza; Eng. Patricio Ben, Eng. Germán Suppo; Eng. Rodolfo Alessio;
Prof. Roberto Tula; Prof. Gustavo De Vita; Ezequiel Heinze; Juan Pablo Costa; Pablo
Mondino.