ESTIMATIVA DO POTENCIAL PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM UMA PLATAFORMA DE PESCA NO SUL DE SANTA CATARINA

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1 ESTIMATIVA DO POTENCIAL PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM UMA PLATAFORMA DE PESCA NO SUL DE SANTA CATARINA Raffaela Zandomenego 1, Nágila Lucietti Schmidt 1, Carla de Abreu D Aquino 1 ¹UFSC/Laboratório de Hidrologia, Hidrodinâmica e Geoprocessamento/raffaela.zan@hotmail.com Resumo: O objetivo principal deste estudo foi realizar a análise de dados de ondas coletados por um ondógrafo em Tramandaí (RS) para calcular o potencial energético das ondas na região de Balneário Arroio do Silva (SC). Os dados de Tramandaí foram utilizados devido às características semelhantes das costas oceânicas entre as duas praias. Os cálculos foram feitos para determinar o potencial energético total e para cada estação do ano, na região de Balneário Arroio do Silva. Esse potencial energético das ondas oceânicas poderia ser aproveitado para geração de energia renovável para a cidade. Um fator que contribuiu para o estudo foi que a cidade possui uma plataforma de pesca localizada na Praia da Meta, que poderia servir de estrutura fixa para a instalação de um protótipo conversor de energia das ondas em energia elétrica. A análise estatística dos dados foi realizada no software MatLab e após o cálculo dos parâmetros mais importantes, tais como altura e período significativos, foram utilizadas equações matemáticas para o cálculo da potencia e energia total. Como os dados foram coletados em águas intermediárias e a plataforma de pesca se encontra em águas rasas, os dados de energia foram calculados para as diferentes profundidades, com diferentes equações, obtendo-se maior potencial em águas rasas. Foi encontrado o maior valor de potência para o período de inverno, sendo esse período o mais energético para produção de energia a partir das ondas na região. Palavras-Chave: Energia das ondas, Potencial energético, Santa Catarina. 1 INTRODUÇÃO A quantidade de energia produzida pelas ondas é dependente da transferência de energia recebida do sol para a atmosfera e oceano, sendo que a intensidade dos ventos incidentes, a dimensão da área sobre a qual os ventos estão incidindo (pista) e a duração desta transferência de energia são os principais fatores determinantes na área de geração de ondas (OLIVEIRA, 2008; CARVALHO, 2010). De acordo com CARVALHO (2010), através de uma climatologia da energia de ondas, é possível estimar a intensidade dessa energia e sua variação temporal. O clima de ondas corresponde ao padrão estatístico dos seus parâmetros descritivos, tais como a altura, período, direção de propagação e energia (STRAUCH et. al., 2009). Estes parâmetros permitem identificar quais as regiões com maior potencial para a conversão de energia de ondas em energia elétrica. Estima-se que o potencial energético brasileiro, levando em consideração apenas ondas e marés, é de 114 GW, que poderia contribuir para a ampliação da demanda de energia e para a diversificação da matriz energética. O potencial está divido entre o uso da energia das marés na região Norte e a energia das ondas nas regiões Nordeste, Sul e Sudeste. A Tabela 1 apresenta o potencial teórico da energia das ondas

2 no país, onde nota-se que no Sul, ele é maior quando comparado com as outras regiões (ENERGIAS RENOVÁVEIS E SUSTENTABILIDADE, 2012). Tabela 1 - Potencial energético teórico por regiões do Brasil. Região Potência (GW) Norte (marés) 27 Nordeste (ondas) 22 Sudeste (ondas) 30 Sul (ondas) 35 Total 114 Fonte: ENERGIAS RENOVÁVEIS E SUSTENTABILIDADE, O foco do estudo foi a determinação do potencial energético de ondas em Balneário Arroio do Silva (SC), uma vez que o município possui uma plataforma de pesca que poderia abrigar conversores de ondas (Figura 1 - a). Figura 1 Foto de satélite: a) Balneário Arroio do Silva SC, b) Tramandaí RS. Fonte: GOOGLE EARTH - MAPAS, METODOLOGIA Para a realização do trabalho foram utilizados dados de ondas coletados in situ na praia de Tramandaí (RS), a qual está a aproximadamente 134 km ao sul de Balneário Arroio do Silva (SC). Os dados foram adquiridos através de um ondógrafo direcional waverider da Datawell, fundeado em novembro de 2006 na praia de Tramandaí (STRAUCH et. al., 2009). A utilização de dados de Tramandaí para estimar o potencial energético em Balneário Arroio do Silva justifica-se pelas características oceanográficas da costa. Conforme Tessler e Goya (2005), o segmento litorâneo que vai do Cabo de Santa Marta (SC) até o Chuí (RS), tem a mesma caracterização, dada por uma linha de costa retilínea,

3 associada a planícies costeiras extensas e arenosas e de baixa altitude (Figura 1). Assim, pode-se atribuir o mesmo clima de ondas para ambas as regiões, com diferença desprezível entre seus padrões de comportamento de ondas durante o ano. Segundo Alves et al. (2009), os campos de ondulações provenientes de Sudoeste dominam praticamente todo o Oeste do Atlântico Sul. Este estado de mar deixa de ser dominante, no momento em que ondas do quadrante Norte, provavelmente gerados pela circulação atmosférica à superfície associada ao anticiclone do Atlântico, passam a dominar algumas áreas. A descrição das ondas no oceano é de grande complexidade, uma vez que elas são produto de diversas interações e superposições. O aquecimento da superfície da terra, por meio da radiação solar, provoca diferentes campos de pressão que resultam no surgimento dos ventos, os quais transferem energia para a água do mar (através da atuação das tensões cisalhantes) provocando um distúrbio na superfície. Quando as ondas atingem um determinado tamanho, o vento pode exercer uma ação mais intensa na sua face, acarretando um crescimento maior ainda (COSTA, 2004 apud ASSIS, 2010). A superfície do oceano pode ser interpretada como o resultado da soma de várias componentes senoidais de diferentes amplitudes, períodos e direções com fases aleatórias. Para uma onda senoidal plana e progressiva, a elevação da superfície (η) em função do tempo (t) e da distância (x) é dada por: (1) Sendo H a altura da onda, T o período e L o comprimento de onda. Sendo a amplitude é a metade da altura da onda, a frequência absoluta é e o número de onda. As ondas oceânicas podem viajar muitos quilômetros sem perder energia. Conforme a onda se aproxima da costa ocorre à interação com o fundo do mar e a densidade de energia tende a diminuir, devido ao atrito. No trânsito entre águas profundas, intermediárias e rasas, a onda começa a perder velocidade, seu comprimento passa a diminuir e sua altura a aumentar cada vez mais, até que ocorre a quebra da onda (Figura 2). Como a energia da onda é função do quadrado da altura, essa transformação pode ter grande importância na estimativa do potencial de energia das ondas em águas rasas, próximo à costa.

4 Figura 2 Classificação das ondas quanto à profundidade relativa. Fonte: SILVA, A energia total contida em uma onda é a soma das energias cinética e potencial da mesma. Onde a primeira é resultante do movimento das partículas da água através do fluido e o segundo consequência do deslocamento da superfície livre da onda. Estima-se o potencial energético das ondas de uma região de interesse através da energia total (Eq. 4), para ondas de gravidade, a qual resulta da soma das equações da densidade média de energia cinética (Eq. 2) e da densidade média de energia potencial (Eq. 3), assim tem-se: (2) (3) (4) Onde g é a aceleração da gravidade, em m/s²; e a é a amplitude, em metros. Essa energia total pode ser utilizada para encontrar o fluxo médio de energia, que é a taxa que a energia das ondas se propaga por unidade de comprimento de crista, por meio de um plano vertical perpendicular à direção de propagação da onda. O fluxo de energia (Eq. 5) pode ser obtido pela multiplicação da densidade de energia total ( ) com a velocidade de grupo em águas profundas (, dada pela Eq. 6: (5) (6)

5 Substituindo a Eq. 6 na Eq. 5 obtêm-se a equação da potência (fluxo médio de energia) para águas profundas, a qual é função da altura significativa e do período das ondas: (7) A Equação 7 foi calculada conforme as médias anual e sazonais, buscando a diferença de disponibilidade energética das diferentes estações do ano. Os parâmetros utilizados foram a altura significativa (Hs) e no período médio de energia (Te). A altura significativa pode ser entendida como a média das alturas do terço superior das ondas individuais, ordenadas da menor até a maior, durante o período de observação, sendo a melhor representação de uma onda irregular, que é usada quando se faz necessário apenas o valor de altura de onda, como é o caso da aplicação da equação de conservação de energia para estudo das transformações da onda (ASSIS et. al., 2013; D AQUINO, 2004 Devido às modificações que as ondas sofrem ao se aproximarem da costa, espera-se que haja perda de energia nesse processo (OSTRITZ, 2012) e torna-se interessante uma avaliação mais detalhada acerca do seu potencial energético em águas rasas e intermediárias, visto que o local desejado para instalar uma estrutura conversora de energia das ondas consiste em uma plataforma de pesca construída na costa, em águas rasas. Dessa forma, a Eq. 6 foi utilizada para o cálculo de potência foi modificada conforme a profundidade local, considerando-se águas profundas (de onde as ondas vêm), águas intermediárias o local de coleta de dados e águas rasas o local onde a plataforma de pesca se encontra. Assim em uma praia reta e longa, com inclinação do fundo uniforme, as ondas tendem a se propagar perpendicularmente à linha da costa. Em águas intermediárias temos: (8) Já em águas rasas, é: (9)

6 Altura Significativa [m] 4º Simpósio de Integração Científica e Tecnológica do Sul Catarinense SICT-Sul Sendo a profundidade da coluna de água, a velocidade de grupo e L o comprimento de onda. Logo obtemos a equação geral da potência para águas rasas (Eq. 10) e para águas intermediárias (Eq. 11): (10) (11) 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 3 mostra a altura significativa das ondas medidas no período de novembro de 2006 a setembro de 2007 na região de Tramandaí, onde se observa que a altura significativa está distribuída entre 0,5 e 2 m. A Tabela 2 resume os parâmetros de onda calculados, a altura significativa (Hs) média anual é 1,2 m, porém, nos meses de verão e inverno, observa-se o registro de maiores picos de altura, alcançado quase os 3 metros. Tabela 2 Valores encontrados para cada estação do ano. Estação do ano Hs média (m) Ts médio (s) Primavera 1,2 6,6 Verão 1,3 7,2 Outono 1,2 7,8 Inverno 1,4 7,8 Média Total 1,2 7,7 3 Figura 3 Gráfico de altura significativa mensal /10/06 01/01/07 01/04/07 01/07/07 01/10/07 Tempo Percebe-se que em todas as estações do ano, os valores de Hs média ultrapassam 1 m. Os valores de período significativo (Ts) médio variam entre 6,6 e 7,8 s, o que indica uma dominância de mar local. Strauch et. al. (2009) Hs associou a ocorrência

7 de ondas de 4 metros no outono a chegada de ondas longas provenientes de tempestades extratropicais, cujo foco de geração é no extremo sul do continente. Já Toldo Jr et. al. (1993, 2006) descreveram a observação de ondas com média de 1,4 m e períodos de pico de 7 a 9 segundos na região. Motta (1963) observou que as alturas significativas de maior frequência eram de 1,5 m e o período de 7 a 8 s, o que mostra que os valores encontrados para Balneário Arroio do Silva se encaixam com o que foi descrito pelos autores. O clima de ondas é tradicionalmente representado pelos diagramas de dispersão (COLI, 2000), os quais apresentam a distribuição conjunta dos parâmetros altura significativa, período significativo e direção das ondas, sintetizando os dados de forma que se pode verificar o espalhamento dos dados. Foram construídos diagramas de dispersão que relacionam a direção e altura significativa das ondas. A Figura 4 mostra a distribuição para a série de dados coletados durante todo o período. Figura 4 - Diagrama de ocorrência conjunta da direção (graus) e altura significativa (m) para a série de dados de novembro de 2006 a setembro de , ,2-0, ,4-0, ,6-0, ,8-1, ,0-1, ,2-1, ,4-1, ,6-1, ,8-2, ,0-2, ,2-2, ,4-2, ,6-2, ,8-3, Total Total Considerando o valor zero para a direção norte e seguindo em sentido horário, cada direção está localizada a 45 graus uma da outra. As maiores frequências observadas, indicam incidência de ondas entre 75 a 175 graus, distribuído desde NE até o S, sendo que a faixa mais frequente é de graus, correspondendo a 25% do total de observações, seguido pela faixa de , responsável por 21,4% das observações para o período amostrado. De acordo com as classes mais frequentes, observa-se o predomínio de ondas de L, SE e S e considerando essas três direções em

8 conjunto, são responsáveis por 81,6% das direções predominantes para as ondas incidentes no período amostrado. Na Figura 4 observa-se um padrão que as ondas que predominam nas direções com menores valores possuem menor altura significativa de onda e gradualmente enquanto os valores para direção aumentam, as alturas significativas também aumentam. Apesar de poucas observações para SW, W e NW, são essas as que possuem maiores valores de altura significativa. Conforme Siegle e Asp (2007), as ondas incidentes na costa, provenientes de NE e SW são as menos importantes na geração de fluxos longitudinais, pois devido aos seus baixos ângulos de incidência em relação à costa, elas causam apenas um pequeno transporte para Sul e Norte, favorecendo a potencial acumulação de sedimentos nessa área. Por outro lado, as ondas que controlam a maior parte do fluxo longitudinal na região são provenientes de L e do quadrante S, sendo que as ondas de leste agem por toda a costa catarinense, gerando um forte transporte para o Sul, devido à orientação da linha de costa. A Figura 5 mostra a frequência da energia das ondas para o ano e para cada estação. A maior frequência anual para os valores de energia se encontram na faixa de 1500 J, podendo alcançar valores de pico de J, mesmo que com baixa ocorrência. Os valores de energia na primavera foram menores, quando comparada as outras estações do ano. A maior frequência encontrada na primavera corresponde a ondas com energia de aproximadamente 1500 J. As frequências mostradas no gráfico para a primavera são baixas pelo pouco tempo de monitoramento dos dados de onda neste período. Figura 5 Histograma de energia das ondas.

9 No verão, o maior valor de energia atingido foi de J, porém, em frequências muito baixas. O pico de energia observado foi de aproximadamente 1500 J com alta frequência observada, aproximadamente 210 vezes. Já no outono, o pico de energia permaneceu semelhante ao verão, também com 1500 J, mas com uma frequência muito maior (aproximadamente 600 vezes), conforme Strauch et. al. (2009) associados a eventos mais energéticos que ocorrem durante o outono, provenientes de tempestades extratropicais. A Figura 5 ainda mostra uma queda na frequência das maiores energias de onda observadas no outono. Para o inverno, observa-se a maior frequência de energia em aproximadamente 1500 J, podendo atingir a frequência de 9500 J, ainda que com pouca ocorrência. Esse padrão de ondas com sua respectiva distribuição de energia viajam em direção à costa. Embora ocorra uma perda de energia de aproximadamente 5 a 10% durante a aproximação das ondas à costa (principalmente devido ao atrito com o fundo), do ponto de vista da engenharia, é mais viável instalar estruturas conversoras de energia das ondas em águas rasas, principalmente em função do menor custo de instalação e manutenção, redução na perda do transporte e resistência à grandes ondulações (OSTRITZ, 2012). O fluxo médio de energia relaciona-se com a celeridade de grupo, uma vez que superfície do oceano pode ser interpretada como o resultado da soma de várias componentes senoidais de diferentes amplitudes, períodos e direções com fases aleatórias. As deformações das ondas ao se propagarem em águas rasas provocam modificações na celeridade ocorrem devido à configuração da batimetria, correntes e o vento. Em regiões costeiras as características não lineares das ondas se tornam mais importantes, induzindo padrões mais complexos e com maior variabilidade temporal e espacial, em comparação com sua evolução em águas profundas (CARVALHO, 2002; VIOLANTE CARVALHO et. al., 2010). Com objetivo analisar as variações de energia e potência resultantes da transformação das ondas, foram calculados os comprimentos de onda (L), na profundidade do local de coleta de dados (z) e o valor de profundidade de fechamento interna (di). Os valores médios de altura significativa e período significativo anual e sazonal foram utilizados na estimativa do comprimento de onda conforme a Eq. 12: (12)

10 A profundidade de fechamento interna foi calculada por (HOEFEL, 1998, p. 23): (13) Onde é a altura de onda significativa local (nas adjacências da arrebentação) que é excedida 12 horas por ano, é o período significativo associado à. O valor de pode ser conseguido através da Eq. 14: (14) Onde sazonais são mostrados na Tabela 3. é o desvio padrão anual de onda significativa. Os valores anual e L (m) z (m) di (m) Tabela 3 Classificação das ondas. Anual Primavera Verão Outono Inverno 91,7 17 4,8 68,6 17 4,4 80,7 17 4,9 95,8 17 4,4 96,3 17 5,2 A profundidade de fechamento interna limita a região na qual são notados os efeitos da interação do fundo com as ondas sobre o transporte de sedimentos. De tal forma, analisando os resultados das profundidades de fechamento interna (Tabela 3), percebe-se que a onda começa a ter sua forma alterada a aproximadamente cinco metros de profundidade. Deste modo, como a plataforma de pesca está localizada a 4 m de profundidade, as ondas estão em transição de águas rasas para a zona de arrebentação, nessa transição, as ondas tendem a aumentar sua altura. O ganho de altura pode implicar em ganho de potência. A Tabela 4 indica a potência sazonal e anual para cada classificação das águas, de acordo com a sua profundidade. A perda de potência observada de águas profundas para intermediárias é ocasionada pela perda de energia devido ao contato da onda com o fundo, em que ocorre uma desaceleração das ondas. Conforme as ondas se aproximam da costa, elas sofrem influência do atrito ocasionado pelo fundo oceânico, o que resulta em um incremento de altura. Esse incremento de altura proporciona um considerável aumento nos valores de potência para águas rasas, como mostrado na Tabela 4. Tabela 4 Potência sazonal e anual de acordo com as profundidades. Potência (kw/m)

11 Primavera Verão Outono Inverno Anual Rasas 12,3 15,2 11,2 16,2 13,2 Intermediárias 2,4 3,0 2,2 3,2 2,6 Profundas 4,9 6,9 5,6 8,2 6,4 Na mudança de águas profundas para intermediárias, há uma perda de 59% na potência e das intermediárias para rasas, há um ganho de 80%. Visto que a plataforma de pesca está localizada a quatro metros de profundidade, enquadrando-se em águas rasas, indica que haverá maior aproveitamento da conversão de energia das ondas em energia elétrica, sendo propicia a instalação de um modelo conversor de ondas na estrutura física da mesma. Foi possível comparar valores médios de período e altura significativa das ondas incidentes em Porto de Pecém com os valores médios de período e altura significativa das ondas de Balneário Arroio do Silva. A Tabela 5 indica os valores médios para as duas localidades, bem como a potência anual média calculada. Tabela 5 Comparação de parâmetros de onda anuais entre Porto do Pecém e B. Arroio do Silva. Local Hs (m) Ts (s) P média (kw/m) Porto de Pecém 1,5 7,5 7,7 B. Arroio do Silva 1,2 7,7 6,4 De acordo com Beserra (2007), as alturas significativas, períodos significativos e potências médias são relativas a águas profundas, devido à localização do quebra-mar, onde foi instalada a usina conversora de ondas. O valor calculado da potência média anual de Balneário Arroio do Silva para águas profundas (Eq. 9) corresponde a 83% da potência média obtida para o Porto de Pecém. Com isso, verifica-se que seria interessante investir na implantação de um protótipo conversor de energia das ondas em energia elétrica. Assim, torna-se importante realizar um estudo de viabilidade econômica acerca da implantação da estrutura conversora de ondas mencionada. 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Os dados disponíveis apresentam descontinuidade dos registros nos meses de fevereiro e julho, não sendo possível determinar qual a contribuição desses meses para o padrão de ondas. Esse fator implica em um erro associado aos valores médios dos parâmetros utilizados no cálculo de potência das ondas, o que não é desejado. Apesar da defasagem na coleta de dados foi possível estimar aproximadamente os valores de potência por estação do ano. Foi constatado que o período mais energético é o inverno sendo a maior potência encontrada de 3,2 kw. Como a plataforma se encontra na zona de transição entre águas rasas e zona de arrebentação, devido à interação das ondas com o fundo oceânico as alturas significativas serão maiores, e um incremento na altura de ondas aumentará a potência (80%), o que torna a plataforma de pesca um local atraente para instalação de uma usina conversora de ondas. Porém, um ponto importante é conseguir viabilizar a coleta de dados de onda na região de Balneário Arroio do Silva, para que

12 se possa garantir uma maior confiabilidade dos dados de altura significativa, período e por consequência, a potência de ondas oceânicas. AGRADECIMENTOS Este trabalho não teria sido possível sem a colaboração do Professor Elírio E. Toldo Júnior, o qual cedeu gentilmente os dados de onda utilizados. Agradecimentos também ao CNPq/PIBIC/UFSC que fomentou a bolsa de iniciação científica, a Plataforma de Pesca Entremares e a Prefeitura Municipal de Balneário Arroio do Silva.

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