Engenharia Mecânica e o Mar

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1 Engenharia Mecânica e o Mar Energia das Marés Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Projeto FEUP /2016 Realizado entre 25 Setembro a 2 Novembro de 2015 Monitor: Abílio Manuel Pinho de Jesus Supervisor: Maria Leonor Jaloto Amaral Turma 8, Grupo 4: Ian César Ferreira Félix - up @fe.up.pt Inês de Sousa Grangeon Cavaleiro - up @fe.up.pt Inês Maria de Macedo Pinto Ferreira - up @fe.up.pt José Jorge Proença Varanda Marques - up @fe.up.pt Ricardo Luís de Matos Teles - up @fe.up.pt

2 Resumo Este trabalho tem por objetivo trazer à luz do debate académico uma fonte de energia que, na cultura popular, é muito pouco comentada: a maré motriz. Assim, para que o leitor reconheça a importância de tal fonte de energia, o trabalho será subdividido. Inicialmente será feito uma breve introdução sobre esta fonte de energia; de seguida o leitor será convidado a ler o enquadramento histórico deste conteúdo; depois, e, de modo a que o interlocutor perceba como funciona a tecnologia do aproveitamento da energia das marés, será resumidamente abordado o mecanismo de formação das mesmas, com ênfase nos tipos mais percetíveis de marés; por fim, será esclarecido o funcionamento da tecnologia que torna a ideia de aproveitar esta força possível. Mais adiante, serão explicadas as principais vantagens assim como as desvantagens, que provêm desta fonte de energia. Por fim, espera-se que o leitor compreenda a importância de se discutir com mais veemência, a inclusão desta fonte de energia no contexto das energias renováveis. 1

3 Índice Resumo...1 Índice Introdução Enquadramento histórico Moinho de marés Estação de energia de La Rance Formação das marés Tipos de marés Estruturas para o aproveitamento energético da energia das marés Tecnologias para aproveitamento energético da energia das marés Vantagens e Desvantagens da produção de energia através da ação das marés Estação Force Conclusões Índice de figuras Referências Bibliográficas

4 1. Introdução O tema da energia é, na atualidade, um dos que mais se relaciona com a área das novas tecnologias. Isto porque, é cada vez mais necessário para a sustentabilidade do ser humano e do planeta, um elevado grau de independência dos combustíveis fósseis e, consequentemente, dos seus efeitos ambientais nefastos. Nesta linha, as energias renováveis são algo com enorme potencial, e cujo aproveitamento das mesmas tem ainda um longo caminho a percorrer. Tendo em conta que o tema geral da turma 1M08 do presente ano do Projeto FEUP do curso Engenharia Mecânica versava sobre A Energia Mecânica e o Mar, foi escolhido o subtema da Energia das Marés, procurando-se compreender qual o estado da arte neste âmbito, bem como qual o seu potencial e o modo como pode ainda evoluir no sentido de esta fonte energética se afirmar como uma fonte eficiente no concorrido mercado energético. Considera-se ainda que, este é um tema ainda pouco explorado na divulgação científica e tecnológica, o que motiva a escolha realizada. Embora até há algum tempo atrás, a tecnologia existente não permitisse que esta fonte energética fosse aproveitada com eficiência aceitável, comparativamente a outras fontes energéticas, os avanços na área da engenharia mecânica e outras áreas científicas, vêm fazendo com que cada vez mais, ela possa ser rentável e rivalizar no mercado energético. Atualmente, os países que mais utilizam este sistema de geração de energia são o Japão, França, Coreia do Sul, Inglaterra, Canadá e Estados Unidos (principalmente instaladas no Havaí). Neste sentido, o trabalho que desenvolvemos consiste, primeiramente, numa abordagem generalizada sobre o subtema escolhido, onde será mencionado do que se trata este tipo de aproveitamento energético assim como o seu funcionamento, partindo depois para aspetos mais técnicos e científicos da energia proveniente das marés. 3

5 2. Enquadramento histórico Atualmente, a utilização de energias renováveis é um tema muito referido e estudado, mas convém lembrar o uso que desde há séculos se faz da energia das marés. Possivelmente, o moinho de marés mais antigo estava localizado em Londres no Fleet River (Figura 2), e remonta à época romana. Figura 1- "Entrance to the Fleet River", Samuel Scott, c [1] Nos últimos anos, uma série de novas descobertas arqueológicas tem consecutivamente adiado, de certa forma, a data dos primeiros moinhos de maré. Os moinhos mais antigos situam-se maioritariamente na costa irlandesa. No auge da utilização dos moinhos de maré, existiam 750 moinhos de maré que operavam ao longo das margens do Oceano Atlântico. Aproximadamente 300 na América do Norte, 200 nas Ilhas Britânicas e 100 em França [1]. Em Portugal, existem vários moinhos de maré no Rio Tejo, no Rio Sado e no Rio Arade, entre outros. Porém é na margem sul do Tejo que se encontra a maior parte deles. A energia obtida era utilizada no nosso país para moer cereais. 4

6 2.1. Moinho de Maré Um moinho de maré é um tipo de moinho movido pelo deslocamento da água, causado pelo desnível das marés nos estuários de rios. Os moinhos de maré (Figura 2) eram formados por uma caldeira que se enchia de água, através de uma porta de água (adufa), quando a maré enchia, fechando-se, em seguida, até à descida das águas, e por uma construção onde se situavam diversas moendas (pares de mós) que se destinavam ao fabrico de farinha. Quando a maré vazava, abriam-se passagens (portinhola) para a saída das águas que faziam mover um número variável de moendas (normalmente entre três a dez). Figura 2 - Moinho de maré [2] Estação de energia de La Rance A estação de La Rance (Figura 3) é responsável pela produção de energia a partir das marés. Localiza-se no estuário do rio Rance, na região francesa da Bretanha e foi a primeira estação do tipo a ser construída no mundo. Foi inaugurada em 1966 e era dirigida pela Électricité de France. Possuí 24 turbinas, que alcançam um pico de 240 megawatts de potência [The Citizen-Powered Energy Handbook: Community Solutions to a Global Crisis Por Greg Pah] com uma média de 62 megawatts [2]. Com uma entrega anual de 540 GWh, ela fornece 0.12% das necessidades de energia do país. Foi por 45 anos a maior, até ser ultrapassada pela central maremotriz do lago Sihwa, na Coreia do Sul, em

7 Figura 3 - Estação de La Rance [3] 6

8 3. Formação das marés O que são as marés? As marés são um fenómeno global, no qual ocorre uma variação do nível das águas de uma zona do litoral. Este movimento de subida e descida do nível do mar, encontra como principal causa a atração da lua e do sol, que devido às suas enormes massas, acabam por atrair as águas terrestres, elevando o nível do mar na região, também o movimento de rotação do planeta Terra acaba por ter influência na formação das marés. Como a lua está mais próxima da Terra do que o sol, proporciona uma maior atração gravitacional das águas do que a atração gravitacional do sol [3]. 4. Tipos de Marés De entre os vários tipos de maré, destacam-se os principais: Marés altas: ocorre quando a lua está voltada para uma determinada área da Terra nessa região e na região oposta do globo terrestre o oceano eleva-se. À maré na região da Terra voltada para a lua é dado o nome de high high tide. Por outro lado, à maré alta localizada na porção oposta da Terra, em que não é voltada para a lua, é dado o nome de high low tide. Marés baixas: enquanto nas regiões do planeta Terra que estão voltadas para a lua e nas suas faces opostas estão ocorrendo marés altas, nas regiões intermediárias ocorrem marés baixas [4]. Figura 4- Esquema de marés altas e baixas [4] 7

9 Marés de sizígia: estas ocorrem quando a lua alinha com o sol, amplificando a atração gravitacional sobre os oceanos, o que resulta em marés mais elevadas. Tal fenómeno ocorre durante o período de lua cheia ou lua nova [5]. Figura 5 - Maré de sizígia [5] Marés de quadratura: este tipo de marés ocorre quando a posição do sistema Terra-Lua é ortogonal ao sistema Terra-Sol. Isto faz com que as forças gravitacionais da lua e do sol se anulem parcialmente formando marés menos intensas. Como este sistema só ocorre quando a lua está em quarto minguante ou quarto crescente, tem-se durante um mês duas quadraturas e duas marés de sizígia [6]. 8

10 Figura 6- Maré de quadratura [6] 9

11 5. Estruturas para o aproveitamento energético da energia das marés O fenómeno das marés pode ser aproveitado para a geração de energia, baseado em dois princípios distintos: Pela energia potencial Criada pelo diferencial de altura entre a maré alta e a maré baixa Pela energia cinética Criada pelo fluxo de água da maré [7]. Existem quatros categorias principais de tecnologia para aproveitamento da energia das marés: Mecanismos In-stream (em corrente) Usam a energia cinética do fluxo de maré Semelhante ao modo como as turbinas eólicas se movem por influência do vento É um método em crescimento pela sua versatilidade Pode ser facilmente mudado de lugar Tem menores impactos ambientais que as barragens [8]. Barragens (Figura 7) Usam energia potencial proporcional à diferença de altura entre a maré alta e a maré baixa; A estrutura é semelhante à de uma barragem em toda a largura de um estuário, ou de um rio, que sofra a influência da maré; Têm custos económicos e ambientais elevados; Existem poucos sítios com viabilidade para a sua construção; Não gera energia de modo constante. 10

12 Figura 7- Barragem [7] Lagoas de maré (Figuras 8 e 9) Semelhantes às barragens, mas de construção circular, não necessitando, por isso, de ser construídas a toda a largura do estuário ou do rio que sofre a influência da maré; Aproveita a energia potencial (Figura 9); Diminui os impactos negativos tipicamente associados às barragens, não alterando ecossistemas pré-existentes; Podem ser projetadas e construídas para gerarem energia de um modo constante, o que não é possível no caso das barragens. Figura 8- Como é gerada eletricidade numa lagoa de maré [8] 11

13 Figura 9 Lagoa de Maré [9] Figura 10 Lagoas de Maré e a Energia Potencial [10] 12

14 Energia das marés dinâmica Tecnologia recente, cujo objetivo explora a interação entre a energia potencial e cinética das marés; Construção de estruturas longas perpendiculares à costa que irrompem pelo mar ou o oceano, semelhantes a esporões com cerca de 30-50km (Figura 11); Aproveita as diferenças de fase de maré que se geram dos dois lados da barragem. Figura 11- Energia dinâmica das Marés [11] 13

15 6. Tecnologias para aproveitamento energético da energia das marés Tecnologia de turbinas de corrente de maré Entre os componentes geradores de energia elétrica via a formação das marés, possivelmente os mais importantes serão as turbinas geradoras. As turbinas têm um formato semelhante aos moinhos de vento. Porém, o movimento das turbinas é provocado pelas marés. Ainda assim, a água é bastante mais densa do que o ar, cerca de 832 vezes [9], o que permite que as turbinas sejam muito menores do que as utilizadas na geração de energia eólica. Outra característica do tamanho das turbinas, é a disposição e o espaçamento entre rotores, que são extremamente reduzidos, comparando com versão utilizada na energia eólica, que produz, ainda assim, grandes quantidades de energia. Além disso, as turbinas são amovíveis; podem ser colocadas gradualmente e causam pouco impacto ambiental [10]. Tecnologia de turbinas geradoras Turbinas axiais (Figura 12): o São desenvolvidas para rodar, mediante quedas de água de alturas menores; o As rodas possuem um formato de hélice, com pás móveis; o Este tipo de turbina permite que a velocidade seja regulada [11]. Figura 12- Esquema de funcionamento de uma turbina axial [12] 14

16 Turbinas de fluxo cruzado (Figura 13): o São constituídas por uma tubagem que permite a passagem de água e por uma turbina geradora, controlada por um regulador de velocidade; o A água é conduzida até a turbina através da tubagem, fazendo-a girar rapidamente; o Dependendo da velocidade de rotação, o regulador de velocidade permite um maior ou menor fluxo de água, evitando que algum componente da turbina fique avariado [12]. Figura 13 - Esquema de funcionamento de uma turbina de fluxo cruzado [13] 15

17 7. Vantagens e Desvantagens da produção de energia através da ação das marés As vantagens da produção de energia por ação das marés são as seguintes: É uma fonte inesgotável de energia; É uma fonte de energia não poluente; É uma alternativa para países que por diversos motivos, não podem gerar energia elétrica através de outras formas; As marés são mais previsíveis que o vento ou a energia solar; Desenvolvimentos e melhorias tecnológicas recentes tornam esta fonte de energia, cada vez mais fiável; As turbinas para aproveitamento da energia das marés não têm que rodar com tanta velocidade como as eólicas, pois a água é 800 vezes mais densa que o ar, sendo assim mais eficiente. A energia das marés é bastante sensível à velocidade, a energia gerada varia com o cubo da velocidade, ou seja, se a velocidade de fluxo da água multiplicar por 2, a energia gerada aumenta 8 vezes. A energia produzida pela ação das marés apresenta as seguintes desvantagens: A sua construção pode acarretar grandes impactos ambientais, principalmente no ecossistema marinho; Em comparação com os diferentes tipos de energias renováveis tem tido: o Alto custo - a relação custo/benefício ainda não é vantajosa para muitos países; o Necessidade de ter uma situação geográfica favorável, ou seja, presença de marés no litoral e desnível no solo do oceano; o São necessárias amplitudes de marés superiores a 5 metros para que este tipo de energia seja rentável. Por exemplo, em Portugal a diferença de nível entre a maré cheia e a baixa não é suficiente para este fim; o As instalações devem ser fortes e sólidas o suficiente para resistirem às tempestades. 16

18 8. Estação Force Um dos fatores que influencia a tomada de decisão sobre a instalação de tecnologias de aproveitamento da energia das marés é a amplitude de maré de uma dada baía ou estuário de rio. Isto porque é necessário que a diferença de altura do nível da água do mar entre a maré baixa e a maré alta para que a produção energética seja rentável e competitiva com outras fontes de energia. O local do planeta terra em que esta amplitude de maré é mais elevada é a Baía de Fundy, localizada na região da Nova Escócia no Canadá. Nesse local está instalado um centro de produção e pesquisa direcionado para a energia maré motriz, cuja sigla FORCE significa "Fundy Ocean Research Center for Energy". O seu lema é bastante sugestivo "Imagine o poder das maiores marés do mundo. Imagine a tecnologia para as aproveitar". A amplitude de maré em algumas regiões dessa baía alcança os 17 metros na vertical, traduzindo-se numa variação horizontal máxima de até 5km. Fluem nessa baía entre a maré baixa e a maré alta cerca de 160 mil milhões de água. Para colocar este valor em perspetiva, ele é superior a mais de 4 vezes o fluxo de água conjunto de todos os rios do mundo no mesmo intervalo de 6 horas. A FORCE é por isso o principal centro de pesquisa em energia das marés no Canadá, atuando como anfitrião para programas de investigação neste tema. Estima-se ainda que esta região possa vir a fornecer até 2,5 Gigawatts de potência energética pelo aproveitamento da energia maré motriz. Aliado a isto, este centro tem também programas direcionados para o desenvolvimento sustentável e preocupações ambientais, sendo por isso um exemplo a seguir no que toca ao aproveitamento e investigação em energias renováveis [13]. 17

19 Conclusões Esperamos ter contribuído com este trabalho um aprofundamento do conhecimento sobre o tema da energia das marés e os tópicos que lhe estão relacionados, nomeadamente o seu enquadramento histórico com o surgimento na antiguidade dos moinhos de maré. Conseguimos também sistematizar e dar um perspetiva abrangente e global do tipo de tecnologia que permite o aproveitamento deste tipo de energia bem como as vantagens e desvantagens de cada uma dessas tecnologias. Quanto a perspetivas futuras de aproveitamento deste tipo de energia, consideramos que a FORCE é um exemplo de instituição de investigação e desenvolvimento de tecnologia no ramo da energia das marés, que poderá contribuir para o avanço nesta área pois, apenas com investigação de tecnologias mais eficientes, este tipo de aproveitamento poderá rivalizar com as atuais fontes energéticas mais utilizadas. 18

20 Índice de Figuras Nº Referência Figura [1] Samuel Scott, c [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] e/energy [9] [10] [11] [12] %203REV.htm [13] 19

21 Referências Bibliográficas [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] (ISEL).pdf [12] (ISEL).pdf [13] 20