Geração de Energia Elétrica

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1 Geração de Energia Elétrica Através dos Oceanos Aproveitamento Energético e Aspectos Tecnológicos Marcus Vinicius de Oliveira Engenheiro Eletricista - UFMG 29 de Maio de 2012

2 Energia dos Oceanos Formas de aproveitamento Nos oceanos existem basicamente quatro formas de aproveitamento energético. Energia das Ondas Energia das correntes oceânicas Energia das Marés Gradiente vertical de temperatura Atualmente os tipos mais difundidos são: Energia das Ondas e Energia das Marés. 2

3 Energia das Ondas

4 Aproveitamento Energético Modelagem das Ondas Forma mais simples: Ondas senoidais com amplitude e período fixos ( ) = sin( ωt kx) X t A 2ππ ω= 2 π k = T L (Número de onda) k = 2 ω g ( ) coth kh ( h: profundidade) Forma mais realista: Soma de ondas senoidais Modelo muito melhor: Equações Diferenciais Estocásticas 4

5 Aproveitamento Energético Equação de um oscilador e conversão de energia 2 d x dx m+ A = f B ρgsx+ f dt dt ( ) 2 d r A: : Representa a inércia da água na vazinhança do corpo C B : Coeficiente de amortecimento f d f d : Força de excitação : Força de reação da conversão de energia x C m (*) Sistema de conversão Técnica: Estudar a equação (*) no domínio da frequência 5

6 Aproveitamento Energético Equação de um oscilador e conversão de energia A potência que pode ser extraída depende da frequência das oscilações 1 2 B Fd P= Fd jωx 8B 2 2B A potência máxima ocorre em uma frequência específica e vale: 1 1 8B Pmax = F d ρgs+ K 2 ω= : Frequência para a qual a potência é máxima m+ A K: Constante que depende da construção da boia 2 2 Modo Natural (ressonância) Objetivo: Projetar um dispositivo de conversão de energia que consiga extrair a máxima energia da onda 6

7 Aproveitamento Energético Curva de extração de potência T = * g T a a : Raio da boia suposta esférica T : Período da onda Figura 1: Curva de extração de potência Pode ser necessário uma boia muito grande (de 20 a 50 m) para atingir o máximo de potência dada a frequência das oscilações típicas 7

8 Aproveitamento Energético Questão 1 Por que ao diminuir o período (aumentar a frequência a potência não aumenta nem mesmo teoricamente? 8

9 Aproveitamento Energético Resposta O modelo do oscilador considera o fato de que o corpo não consegue acompanhar a dinâmica da oscilação para uma frequência muito elevada Boia 2 d x dx dt ( m+ A ) = f B ρgsx+ f 2 d r dt 2 d r 9

10 Aproveitamento Energético Controle A frequência para a qual ocorre a RESSONÂNCIA é a frequência natural de oscilação do sistema. 2 d x dx dt ( m + A ) = f 2 d B ρgsx+ fr dt 2 d r A frequência de reação pode ser utilizada para fazer com que a frequência de oscilação seja a frequência da onda Haverá consumo de energia para forçar a oscilação nessa frequência 10

11 Aproveitamento Energético Controle f r Boia 11

12 Aproveitamento Energético Múltiplos flutuadores (boias) Cada um extrai uma potência relativamente baixa. O conjunto conduz a um melhor aproveitamento energético Utilização de flutuadores não-esféricos. Vídeo COPPE -UFRJ 12

13 Aproveitamento Energético Variação da Potência com a profundidade O período da onda aumenta com a profundidade. Assim, a potência máxima disponível aumenta com a profundidade Figura 2: Variação da potência da onda com a profundidade A energia contida nas águas profundas é cerca de 3 a 8 vezes a energia contida nas ondas da costa. Utilizando as técnicas de controle é possível atingir a frequência de ressonância. Logo é mais interessante operar em águas profundas. 13

14 Aproveitamento Energético Custo de conversão e transmissão Os custos de conversão e transmissão são diretamente proporcionais à distância da costa. Profundidade Figura 3: Classificação do aproveitamento de acordo com a profundidade 14

15 Tecnologias Centrais Coluna de Água Oscilante (CAO) Fixa ou flutuante Turbina a ar reversível. Figura 4. Topologias de Centrais de Coluna de Ar Oscilante 15

16 Tecnologias Centrais Coluna de Água Oscilante (CAO) É atualmente a mais estudada. Central piloto de Açores: 400kW 12m x 12m x 8m. Dimensão da turbina: 2,5m. Gerador assíncrono. Sistema de eletrônica de potência para ajuste de frequência. Responsável: Instituto Superior Técnico em parceria com empresas privadas portuguesas e britânicas. Figura 5. Central piloto em Açores 16

17 Tecnologias Centrais Coluna de Água Oscilante (CAO) Figura 6. CAO flutuante Figura 7. Curva de extração de potência As CAOsflutuantes são bastante promissoras, pois é possível construir uma coluna de água controlável, de forma a se aproximar mais da ressonância OBS: A curva de extração de potência apresentada é apenas ilustrativa, não é a curva de uma CAO flutuante 17

18 Tecnologias Wave Dragon Aplicação em alto-mar. Acumulação de água em um reservatório. Utilização de turbinas Kaplan, de baixa queda. Figura 8. Esquema de uma Central Wave Dragon Vantagem: Fácil controle da geração Desvantagem: Custo de instalação Instalada em alto-mar Problemas na amarração fariam com que ficasse a deriva. 18

19 Tecnologias Wave Dragon Aproveitamento no Atlântico: Possível instalar centrais de 4MW com aproximadamente 5 vezes as dimensões de Nissum Bredning. 3 Reservatório: 5000m Produção anual: 16GWh Figura 9. Protótipo da Central NissumBredningna Dinamarca, 20kW, 260 toneladas FONTE: Relatório da WEC, Potencial e Estratégia de desenvolvimento da energia das ondas em Portugal. 19

20 Tecnologias Sistemas de Corpo Oscilante Figura 10. Protótipo sueco utilizando um gerador linear Figura 11. Protótipo dinamarquês de boias agitadas 20

21 Tecnologias Gerador Linear Figura 12. Gerador Linear utilizado em geração por sistema de corpo oscilante FONTE: Adaptado de: OSKAR DANIELSSON. Design ofa Linear Generatorfor a Wave Energy Plant. Uppsala University School of Engineering. Master s Project 21

22 Tecnologias Pelamis Figura 13. Central Pelamis portuguesa 3 x 750kW FONTE: Relatório da WEC, Potencial e Estratégia de desenvolvimento da energia das ondas em Portugal. 22

23 Tecnologias Pelamis Estrutura semi-submersa Vários cilindros horizontais ligados por articulações. Movimento das articulações bombeia óleo a alta pressão para motores hidráulicos. Os motores hidráulicos acionam geradores. Figura 14. Esquema de um conversor Pelamis Posição geométrica é importante (garantida por flutuadores e cabo conectado aofundodomar) Junto ao cabo de conexão ao fundo também segue os cabos elétricos. 23

24 Tecnologias Mc Cabe WavePump Duas plataformas flutuantes promovem torção. Um amortecedor promove uma referência mais estável, simulando conexão ao fundo. Conectado ao fundo por cabos. Protótipo instalado na Irlanda em 1996 com 40m de comprimento Figura 15. McCable Wave Pump 40m 24

25 Tecnologias AWS Figura 16. Esquema de um AWS Figura 17. Imagem ilustrativa de um AWS Funciona baseado em diferença de pressão devido à variação da coluna d água 25

26 Tecnologias AWS Difícil controle de frequência (para obter ressonância), já que é fortemente influenciado pela constante da mola. O protótipo da Figura ao lado foi fabricado na Romênia (esq. mostra a central rebocada) Potência do protótipo: 2MW. Figura 18. Central piloto AWS do porto de Viana do Castelo, Portugal Segundo 9MW protótipo: 26

27 Tecnologias Aqua-Buoy Movimento vertical é utilizado para bombear a própria água do mar para uma turbina Pelton, gerando energia elétrica. Figura 18. Esquema de um Aqua-Buoy 27

28 Parques de energia das ondas Potência instalada por comprimento Potência média instalada por comprimento em Portugal (possibilidade de aproveitamento): 20MW/km de costa. A potência instalada por comprimento depende do tipo de central Apotênciavariacomoquadradodaalturadaonda Parque de 100MW (Considerando o espaçamento adequado entre duas unidades) 15 m a 1km ~ 1,5m 5km Figura 19. Potencial energético de um parque de energia das ondas considerando ondas com a altura típica das ondas na costa portuguesa FONTE: Relatório da WEC, Potencial e Estratégia de desenvolvimento da energia das ondas em Portugal. 28

29 Parques de energia das ondas Cabos elétricos submarinos Embora dispendiosa, segue uma metodologia padrão bem sucedida. Podem ocorrer diversos problemas durante a operação: - Ação de deslocamento das correntes marítima e ondas. - Atividades da pesca de arrasto. - Ancoramento de navios no mar. Atualmente as âncoras provocam cerca de 50% dos problemas. Profundidade de enterramento dos cabos depende do solo. Tempo médio gasto na instalação: 10km/h. Solo 40 a 80 cm 29

30 Uso convencional Parte da matriz energética nacional Sazonalidade e horário de pico Aplicações Contribuir para a geração quando a principal forma de geração não estiver favorecida. Mercados remotos / Pontos Isolados Parte da matriz energética nacional Figura 20. Locais remotos, como ilhas e plataformas de petrolíferas 30

31 Potencial Brasileiro Potencial brasileiro de geração através de ondas Só no litoral sul e sudeste um estudo da COPPE indicou que o potencial energético é de 40GW. OBrasiltemumlitoralmuitoextenso; Esse estudo considerou apenas o aproveitamento de energia das ondas, não dos outros três tipos apresentados. 31

32 Energia das Marés

33 Esquema de Geração Energia das Marés Funciona de forma semelhante a uma hidrelétrica. Uma barragem é construída, formando-se um reservatório junto ao mar Figura 1: Esquema de aproveitamento da energia das marés 33

34 Esquema de Geração Energia das Marés Figura 2: Usina maremotriz com reservatório 34

35 Geração Maremotriz no mundo Energia das Marés Em 1966 entrou em operação a usina de La Rance na França com uma capacidade de 240 MW. Era a maior usina maremotriz do mundo até 2010, quando entrou em operação a usina de Sihwa, na Coréia do Sul, com uma potência total de 260 MW. Outros países empreendedores dessa tecnologia são a Rússia, com uma usina de 1,7 MW, em operação desde 1968, a China (3,2 MW) e o Canadá (20 MW), com usinas inauguradas em A Coréia do Sul planeja colocar em operação até2017maistrêsusinas,comcapacidadetotalde2.650mw. 35

36 Usina Mareomotriz de Sihwa Energia das Marés A usina maremotriztem uma capacidade deprodução anual de milhões de kwh. Talvez um pouco mais que a capacidade média anual de Belo Monte. Figura 3: Usina maremotriz Sihwa, Coréia do sum 36

37 Usina Maremotriz de La Rance Energia das Marés Figura 4: Usina maremotriz de La Rance, França 37

38 Usina Mareomotriz de La Rance Energia das Marés Construidaem 1966 próxima a St. Malo na França Maré Média Anual: 8 m Área da Bacia: 2 17km Número de turbinas: 24 Capacidade Instalada: 240MW Comprimento da Barragem: 720 m Custo da energia: menos que 0.02 euro/kwh 38

39 Energia das Marés Potencial de geração maremotriz Calcula-se que o fluxo total das marés através da Baía de Fundy pode teoricamente gerar 400 milhões de kwh os quais seriam equivalentes à produção de 250 grandes usinas nucleares. Utilizando-se somente uma pequena parte do seu potencial, poderá produzir energia suficiente para ajudar significativamente no atendimento da demanda dolestedoseua. PoderáserconstruídanaBaíadeFundyumausinamaremotrizde5500MW. Fonte: A indomável energia das marés. SUPER. Editora Abril. Citando entrevista concedida pelo professor Reyner Rizzo, do Departamento de Oceanografia Física da Universidade de São Paulo. Disponível em 39

40 Energia das Marés Potencial de geração maremotriz no Brasil OBrasilnãotemumamarédegrandedesnível. Noentanto,existemtrêslugaresnoBrasilemqueainstalaçãoseriaviável: -FozdorioMearim,noMaranhão -FozdoTocantins,noPará -FozdamargemesquerdadoAmazonas,noAmapá. Segundo o Professor Rizzo o impacto ambiental seria mínimo. A água represada inundaria apenas a região que já é inundada naturalmente, não sendo necessário alagar outras áreas 40

41 Energia das Correntes Oceânicas

42 Energia das Correntes Oceânicas Esquema de Geração Turbinas montadas sobre o fundo do oceano. Não é necessário barragem Figura 1. Projeto Blue Energy no Canadá 42

43 Energia das Correntes Oceânicas As correntes marítimas variam a direção. Engrenagens de posicionamento são utilizadas para orientar as lâminas na direção da corrente marítima. Reserva de energia na forma cinética. Melhor local para instalação: Estreitos Figura 2. Esquema de geração pelas correntes oceânicas com engrenagens de ajuste 43

44 Gradiente Vertical de Temperatura

45 Gradiente Vertical de Temperatura Gradiente de temperatura nos oceanos Figura 1. Variação da temperatura dos oceanos com a profundidade O gradiente de temperatura ocorre devido à profundidade de penetração da radiação solar 45

46 Gradiente Vertical de Temperatura Princípio de Funcionamento Oprincípiodefuncionamentoéo mesmo de uma usina termelétrica, comumente denominado OTEC Ocean Thermal Energy Convertion Fluido de trabalho tem um baixo ponto de ebulição. Exemplo: Amônia O fluido é vaporizado pela troca de calor com a água da superfície (quente), se expande em uma turbina (que alimenta o gerador) e se condensa interagindo com a águafriadofundodomar. Figura 2. Esquema de geração de energia elétrica usando o gradiente de temperatura dos oceanos 46

47 Gradiente Vertical de Temperatura O Rendimento termodinâmico é muito baixo; o máximo teórico que se pode obter com as temperaturas indicadas na figura é de quase 7%. Tal como o movimento das marés, o gradiente de temperatura existe em permanência e, portanto, é um recurso renovável que pode ser explorado como alternativa energética. Figura 3. Planta de geração OTEC construída na índia em

48 Energia dos Oceanos no Cenário Energético Atual

49 Vantagens Vantagens e desvantagens Recurso renovável e auto-sustentável. Energia limpa. É totalmente livre de poluição. Localização Flexível(onshore, nearshore e offshore). Recurso bem caracterizado(fácil determinar o potencial disponível). Aproveitamento de desenvolvimento tecnológico da extração petrolífera. Nãohácustodeáreaoudesapropriações. Desvantagens Necessidade de manutenção constante devido à ação destrutiva da água do mar. Transmissão de energia, sobretudo na modalidade offshore. Risco a navegação. Comportamento estocástico e sazonal (embora mais determinístico que hidrelétrico). 49

50 Países que se destacam Portugal, Estados Unidos, Canadá, França e Rússia possuem vários projetos pilotos. Argentina, Austrália, Canadá, Índia, Coreia do Sul, México, Reino Unido, Estados Unidos e Rússia apresentam bom potencial para aproveitamento da energia das marés. CoreiadosuleFrançapossuemhojeasduasmaioresusinasdomundo. 50

51 Países que se destacam A Grã-Bretanha tem incentivado as pesquisas para extrair energia das ondas e marés. Umestudorecenteprevêque,até2050,aenergiadasondasatingirá190GW istoécercade3vezestodaaenergiaelétricaproduzidahojenoreinounido. Com esse incentivo, mais de 100 empresas estão desenvolvendo novos dispositivos para coletar a energia dos mares. 51

52 Distribuição do potencial Figura 1. Distribuição de potencial de aproveitamento de energia das ondas Potencial relativamente grande nas costas europeia e australiana No Brasil, embora o potencial MW/km não seja tão elevado, a costa é bastante extensa. 52

53 Potencial Mundial Segundo à Empresa de Pesquisa energética (EPE) o total estimado para energia potencial da maré é de 22mil TWh por ano, dos quais 200TWh seriam aproveitáveis. Em 2008 menos de 0,3% desse potencial era convertido em energia Projeção da capacidade instalada (MW) Fonte: EPE

54 Energia dos Oceanos no Brasil Já existe hoje uma usina piloto no porto de Pecém, no Ceará. A usina custou cerca de 12 milhões de reais e tem capacidade de 100kW, o equivalente ao consumo de 60 casas no padrão médio de consumo de energia do estado. Figura 2. Usina protótipo de Pecém no Ceará 54

55 Viabilidade econômica Fonte de energia Ondas Hidro Termica Eólica Solar Fator de capacidade(%) Custo da Planta ($/kw) Custo de O&M ($/MWh) Custo do combustível($/mwh) Resultados comparados dados do Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação em Engenharia (Coppe) 55

56 Conclusões Trata-se de uma fonte abundante de energia. Impacto ambiental muito pequeno, está entre as fontes mais limpas de energia, sobretudo o aproveitamento de energia das ondas. O Brasil apresenta um grande potencial a ser aproveitado É uma boa alternativa para diversificação da matriz energética do Brasil. É necessário desenvolvimento para solução de problemas ainda existentes. 56

57 Agradecimento Obrigado 57