Avaliação Revisitada do Potencial Maremotriz do Estuário ... · A energia produzida por uma usina maremotriz pode ser calculada com precisão, pois o comportamento das marés é

Anais do V Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, Foz do Iguaçu – PR, Brasil. 22-25/04/2014 ISSN 2177-6164

ão onde está sendo construída esta nova interligação entre Brasil e Uruguai, e as principais Linhas de Transmissão e Subestações da região em 2014.

TRABALHO NÃO APRESENTADO DURANTE O EVENTO

1

Resumo-- Neste trabalho a análise do potencial maremotriz

do estuário do Bacanga é revisitada, considerando estudos mais

recentes realizados no local e levantamento de dados

aprimorados. Após simulações, pode-se concluir que o

potencial extraível é significativamente maior do que aquele

inicialmente prospectado. Este estudo vem reforçar os

trabalhos em desenvolvimento que objetivam a instalação de

uma usina piloto no referido estuário.

Palavras-Chaves — Energia Maremotriz, Energias

Renováveis, Estuário do Bacanga, Eficiência Energética

I. INTRODUÇÃO

energia das marés pode ser aproveitada basicamente de

duas maneiras, amplitude de marés ou correntes de

marés. A primeira utiliza o movimento vertical de subida e

descida do nível da maré e a outra gera energia através do

movimento horizontal das correntes de marés quando estas

estão no período de enchente ou vazante. Aquela começou a

ser estudada anteriormente e por isso já possui tecnologias

consolidadas que permitem a exploração das energias das

marés em escala comercial, como é o caso das grandes

usinas de La Rance -França, Annapolis – Canadá e Shiwa –

Coreia do Sul [1].

Dentre as vantagens dessa fonte de energia cita-se a alta

previsibilidade da geração e a redução de impacto ambiental

Os autores agradecem ao CNPq (Projeto 555797/2010-4 Pesquisa e

Desenvolvimento para a Implantação de uma Usina-Laboratório

Maremotriz na Barragem do Bacanga) e à CAPES pelo apoio na realização

deste trabalho.

Olga Lira D. Amaral, Grupo de Sistemas de Potência, DEE-UFMA, Av.

dos Portugueses s/n, Campus do Bacanga, CEP 65040-080, Brasil (e-mail:

[email protected])

Pedro B. Leite Neto, Grupo de Sistemas de Potência, DEE-UFMA, Av.

dos Portugueses s/n, Campus do Bacanga, CEP 65040-080, Brasil (e-mail:

[email protected])

Osvaldo. R. Saavedra, Grupo de Sistemas de Potência, DEE-UFMA,

Av. dos Portugueses s/n, Campus do Bacanga, CEP 65040-080, Brasil (e-

mail: [email protected]).

Márcio Vaz dos Santos, Departamento de Oceanografia e Limnologia,

UFMA. Av. dos Portugueses s/n, Campus do Bacanga, CEP 65040-080,

Brasil (e-mail:[email protected]).

Geraldo Lúcio Tiago Filho, Centro Nacional de Referência em Pequenas

Centrais Hidrelétricas, - UNIFEI Av. BPS, 1303, CEP 37500-903, Itajubá,

Brasil (e-mail: [email protected])

Tiago Soares Correa, Universidade Federal de Itajubá, Av. BPS, 1303,

CEP 37500-903, Itajubá, Brasil (e-mail: [email protected])

se comparada as grandes centrais hidrelétricas. A energia

produzida por uma usina maremotriz pode ser calculada com

precisão, pois o comportamento das marés é cíclico. Além

disso, neste tipo de usina não há necessidade de alagar áreas

novas, uma vez que se utiliza áreas já alagadas [2].

O Brasil apresenta condições favoráveis à implementação

desse sistema em locais como os litorais do Pará, Amapá e

Maranhão, onde se encontram as maiores amplitudes de

marés do país. Segundo estudos realizados na década 80,

apenas na costa do Maranhão o potencial disponível seria de

22 TWh /ano. Apesar desse potencial energético ser bastante

significativo, ainda não existem usinas maremotriz no Brasil.

Nos últimos anos, alguns estudos brasileiros demonstraram

que o aproveitamento energético maremotriz em menor

escala pode ser mais viável economicamente [2].

Em [3] são apresentados os resultados de uma análise

operacional de uma usina maremotriz no estuário do

Bacanga – Maranhão, com bases em um levantamento

batimétrico realizado no ano de 2007, cujo dados estão

disponibilizados em [4]. Embora os resultados apresentados

fossem promissores, novos estudos sobre estimativas de

geração energética são justificáveis devido a alguns aspectos

tais como o gerenciamento inadequado do nível do

reservatório nos últimos anos e problemas urbanísticos no

entorno do mesmo.

Os estudos apresentados neste trabalho englobam uma

modelagem mais precisa da geomorfologia do estuário

principalmente nas cotas mais elevadas, onde o potencial

energético do reservatório é mais significativo. Desta forma

pretende-se avaliar de que maneira as alterações

geomorfológicas do estuário podem alterar o desempenho

operacional de uma usina maremotriz no Bacanga.

II. ESTUÁRIO DO BACANGA: POTENCIAL EXTRAÍVEL

Neste trabalho será apresentada uma revisão do potencial

teórico do estuário do Bacanga - Fig. 1, de acordo com

estudos mais recentes e mais aprimorados das características

geomorfológicos do estuário.

O potencial teórico extraível refere-se ao potencial global

do estuário, dadas unicamente as suas características

geomorfológicas e de marés, ou seja, trata-se de um valor

máximo teórico que não depende das características

eletromecânicas das turbinas a serem utilizadas ou mesmo

do esquema de operação adotado pela usina. Desta forma, tal

parâmetro energético pode tornar-se um ótimo referencial no

Avaliação Revisitada do Potencial Maremotriz

do Estuário do Bacanga

Pedro Bezerra Neto, Olga Lira Amaral, Osvaldo R. Saavedra, membro IEEE, Marcio V. dos

Santos, Geraldo L. Tiago Filho, Thiago S. Corrêa.

A




2

que tange à escolha entre diferentes estratégias de

exploração do estuário.

O potencial teórico em cada ciclo de marés, dado em

Joules, pode ser obtido computacionalmente através de (1),

tomando-se como referência os parâmetros ilustrados na Fig.

2 [5]. Considerando-se um total de 705 ciclos de marés ao

ano, é possível obter a estimativa do potencial energético

anual do reservatório. Neste caso, considera-se o potencial

de aproveitamento de apenas um semi-ciclo de maré, o que

corresponderia à geração elétrica em apenas um único

sentido.

Fig. 1. Vista aérea do estuário e Barragem do Bacanga durante uma

baixa-mar.

0

R

z

z

E g zA dz

(1)

onde γ é a densidade da água do estuário (considerando

1025 kg/m3), g é a aceleração gravitacional (9,81 m/s2) e Az é

a área do espelho d’água na cota z, em m2. Os parâmetros z e

dz, ilustrados na Fig. 2, são dados em metros.

Normalmente a estimativa do potencia extraível considera

o reservatório como um paralelepípedo, com paredes

verticais ideais. A aproximação introduzida com esta

hipótese pode comprometer a estimativa real de potencial.

Para evitar este nível de aproximação, neste trabalho é

considerado um modelo de reservatórios incrementais, que

após um processo de integração discreta fornece uma

estimativa mais fidedigna do potencial do estuário.

O perfil de marés adotado neste trabalho corresponde aos

dados de marés do terminal marítimo da Ponta da Madeira,

devido à sua proximidade com o estuário do Bacanga.

Previsões disponíveis em Tábuas de Marés indicam uma

variação média de marés entre as cotas -1,599 e 2,852, o que

implica em uma variação média de 4,451 m [6]. Para fins de

cálculos mais precisos de (1), tal valor de variação média foi

dividido em 2000 intervalos iguais, o que corresponde a um

valor para dz igual a 2,22x10-3 m.

Os dados de batimetria utilizados neste novo estudo

foram coletados em 2012. Na Fig. 3 e na Fig. 4 são

apresentados detalhes topográficos nas regiões próximas e à

montante da barragem, respectivamente.

A partir destes dados é possível modelar uma nova

relação entre a cota e volume do reservatório. Na Fig. 5 é

apresentado um comparativo desta relação entre os

levantamentos batimétricos realizados em 2007 e em 2012.

Nota-se ainda na Fig. 5 que no primeiro levantamento

batimétrico há um subdimensionamento do reservatório nas

cotas mais elevadas em relação ao segundo levantamento.

Isso se deve ao fato de que, no primeiro caso, a relação entre

cota e volume do reservatório foi inferida através de

extrapolação linear, conforme explicado em [4]. Por outro

lado, nas cotas inferiores nota-se que houve uma redução do

volume do reservatório. A principal explicação para este fato

é a existência de um processo de assoreamento no

reservatório devido aos problemas de natureza urbanística no

seu entorno.

Fig. 2. Esquema ilustrativo para a obtenção do potencial teórico do

estuário. (Adaptado de [5])

Fig. 3. Detalhes do levantamento batimétrico das regiões próximas à

barragem.




3

Fig. 4. Detalhes batimétricos da região à montante (reservatório) da

barragem.

Fig. 5. Comparativo entre dados batimétricos obtidos em 2007 e em

2012.

A partir desta modelagem é possível estimar com

precisão o potencial teórico disponível no estuário do

Bacanga. Para fins de comparação, a mesma modelagem foi

utilizada para ambos os levantamentos batimétricos

apresentados na Fig. 5.

As estimativas anuais de potencial teórico do

reservatório, utilizando-se os modelos batimétricos de 2007

e de 2012, são de 105,99 GWh e 145,GWh, respectivamente,

o que corresponde a um incremento de 37,5 %. Tal diferença

está relacionada à melhor precisão na prospecção de dados

nas cotas superiores no último levantamento batimétrico.

Embora a nova estimativa seja bastante otimista, é

importante destacar que problemas tais como as atuais

condições operacionais e os problemas de ocupação urbana

nas margens, impedem a exploração plena do potencial do

reservatório.

Atualmente estima-se que os níveis operacionais do

reservatório devem permanecer entre as cotas 0,0 m e 2,5 m.

Desta forma, o potencial teórico do reservatório sob estas

condições é de 67,82 GWh/a, o que corresponde a uma

redução de -53,5 %.

III. CENÁRIO ATUAL

Embora as estimativas atuais sejam bastante otimistas, os

problemas relacionados às condições operacionais do

reservatório reduzem drasticamente tal capacidade. No

entanto, existe atualmente um interesse estratégico da

implantação de uma usina-piloto para fins de pesquisa e

desenvolvimento tecnológico. A motivação está baseada na

existência de novas tecnologias para exploração de

baixíssimas quedas, além da falta de conhecimento técnico

no Brasil sobre o tema e a escassez de recursos humanos.

Isto contrasta com o enorme potencial maremotriz

disponível na região norte e com a necessidade de

diversificar a matriz energética brasileira para as próximas

décadas.

Iniciativas práticas têm sido tomadas pelo MCTI/CNPq,

com o lançamento em 2010 de um edital específico para

exploração da energia do mar. Em decorrência deste

fomento à pesquisa e desenvolvimento em energia do mar, a

UFMA, UFRJ e UNIFEI propuseram um projeto focalizando

estudos referentes à instalação de uma usina-piloto no

Bacanga.

Neste contexto, a ideia é utilizar e adaptar a barragem

existente para a acomodação dos equipamentos

eletromecânicos, reduzindo significativamente os custos em

obras civis.

No final de 2012 o Governo do Maranhão decidiu

contratar serviços de recuperação da barragem, incluindo a

substituição do modelo de comportas. Este processo é

complexo, porque o processo de intercambio de água entre

estuário e mar não pode ser interrompido. Para poder

viabilizar esta obra foi elaborado um plano de intervenção

que passa pela habilitação do canal das comportas stop-logs

para realizar a tarefa das comportas durante o período de

intervenção. Deverão ser utilizadas ensecadeiras para

implementar este plano de ação. Findada esta etapa, o canal

de fuga das stop-logs será reservado para a instalação da

usina maremotriz.

O projeto proposto considera o reaproveitamento da área

das comportas stop-logs, substituindo-as por um canal de

adução e uma barragem de suporte das turbinas. Na Fig. 6 é

apresentada esta concepção.

Fig. 6. Concepção proposta para a utilização da seção de comportas

stop-logs para a alocação das turbinas.

A recuperação da barragem facilitará a instalação da




4

usina piloto, já que os projetos possuem etapas em comum,

reduzindo custos. É o caso da construção das ensecadeiras e

do aprofundamento do canal. A seguir são listados os

principais serviços e obras necessárias:

Eliminação (ou adequação) das comportas stop-

logs, sendo substituídas por um canal de adução;

Aprofundamento do leito de concreto do canal

para cota compatível com as características

operacionais das turbinas;

Reforçamento das laterais do canal para suportar

a nova função;

Construção de barragem de suporte das turbinas

na saída do canal de fuga como ilustrado na Fig.

6. A especificação depende da escolha técnica

do número e tamanho das turbinas a serem

instaladas.

Na Fig. 7 e Fig. 8 são apresentados detalhes da seção de

comportas stop-log durante uma preamar e baixa-mar,

respectivamente. Na Fig. 9 é apresentada uma vista geral do

leito de concreto da seção de comportas stop-logs durante

uma baixa-mar. Nota-se que o leito de concreto está acima

da cota de baixa-mar, o que justifica a necessidade de seu

aprofundamento para a devida instalação das turbinas.

Fig. 7. Vista da seção de comportas stop-logs durante uma preamar.

Fig. 8. Dimensões físicas e vista da seção de comportas stop-logs

durante uma baixa-mar.

Considerando a área disponível para instalar turbinas e as

restrições do reservatório, a potência a ser instalada fica em

torno de 10 MW, valor a ser definido com mais precisão a

partir das turbinas comerciais disponíveis para este tipo de

aplicação, conjugando isto com os recursos disponíveis para

investimento.

Fig. 9. Vista geral do leito de concreto da seção de comportas stop-logs

durante uma baixa-mar.

Uma posição da barragem está reservada para a instalação

de uma turbina experimental em desenvolvimento na

UNIFEI. Esta turbina é do tipo Wells, adaptada para baixas

quedas e para funcionar nos dois sentidos. As turbinas Wells

consistem basicamente em um conjunto de pás radialmente

fixas, de acordo com o perfil NACA 00xx, posicionadas a

90° do eixo do rotor e o plano de rotação normal ao fluxo de

incidência [7]. Na Fig. 10 é mostrado um protótipo em

pequena escala do rotor e distribuidores do modelo de

turbina proposto [7].

Fig. 10. Protótipo em pequena escala do rotor e distribuidores do

modelo de turbina proposto [7].

IV. PROGRAMA BACIA DO BACANGA

Em novembro de 2008 foi assinado o acordo de

empréstimo entre a Prefeitura Municipal de São Luís e o

Banco Mundial (BIRD) para o Programa de Recuperação

Ambiental e Melhoria da Qualidade de Vida da Bacia do

Bacanga, também conhecido como Programa Bacia do

Bacanga que está baseado em princípios de sustentabilidade

sócio-ambiental e objetiva fundamentalmente melhorar os

serviços públicos prestados aos moradores da Bacia do

Bacanga, no Município de São Luís.




5

Além da ampliação da oferta de serviços de saneamento

na bacia do Bacanga e do tratamento de esgotos gerados na

bacia, o referido Programa envolve o reassentamento de

famílias que hoje ocupam áreas de risco, isto é, se encontram

instaladas abaixo da cota de inundação. Esta ação é

fundamental para preservar o nível do lago na sua função

atual (receptora de inúmeros canais de águas servidas e

fluviais) e sua capacidade de geração de energia.

Entretanto, a burocracia, falta de agilidade e problemas

políticos tem impactado negativamente este Programa,

causando significativo atraso e a ausência de resultados.

Com as ações convergentes do Governo do Estado, da

UFMA e do BIRD, espera-se deflagrar estas ações em 2014.

V. CONCLUSÃO

Estudos anteriores revelaram um potencial energético

significativo a ser explorado no estuário do Bacanga. Este

trabalho considerou uma modelagem mais precisa das cotas

superiores do reservatório e uma revisão das características

geomorfológicas do mesmo, assim o potencial energético

estimado foi ainda maior.

Portanto, conclui-se que as estimativas atuais de geração

são significativamente maiores do que aquelas inicialmente

prospectadas e apresentadas em estudos anteriores. Desta

maneira, o presente trabalho vem reforçar pesquisas em

desenvolvimento que objetivam a instalação de uma usina

maremotriz piloto no estuário do Bacanga.

VI. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq pelo apoio prestado.

Também agradecem à Equipe do CPRM/PA no processo de

levantamento de dados batimétricos do lago do Bacanga.

VII. REFERÊNCIAS

[1] P. B. Leite Neto, O. R. Saavedra, N. J. Camelo, L. A. S. Ribeiro, and R.

M. Ferreira, "Exploração de energia maremotriz para geração de

eletricidade: aspectos básicos e principais tendências," Ingeniare.

Revista chilena de ingeniería, vol. 19, no. 2, pp. 219-232, ago 2011.

[2] P.B. L. Neto, D.Q. Oliveira, N.J. Camelo, and O.R. Saavedra, "Estudo

do Potencial para Geração de Energia Elétrica a partir de Fonte

Maremotriz," in The 8th Latin-American Congress on Electricity

Generation and Transmission - CLAGTEE, vol. 1, Ubatuba, 2009, pp.

709-713.

[3] P. B. Leite Neto, O. R. Saavedra, and L. A. S. RIBEIRO, "Modelagem e

Análise de Geração Maremotriz no Estuário do Bacanga," in XIX

Congresso Brasileiro de Automática - CBA 2012, vol. 1, Campina

Grande, 2012, p. 100168.

[4] R. M. S. A. Ferreira, Aproveitamento da Energia das Marés. Estudo de

Caso: Estuário do Bacanga, MA, 2007, Dissertação de Mestrado.

[5] Robert H Clark, Elements of Tidal Electric Engineering, 1st ed., IEEE

Press, Ed. Canadá: Wiley & Sons Inc, 2007, vol. 1.

[6] Diretoria de Hidrografia e Navegação - Centro de Hidrografia da

Marinha. (2012) Banco Nacional de Dados (2012). Previsões de Marés -

Terminal Ponta da Madeira. [Online]. www.mar.mil.br

[7] Geraldo Lucio Tiago Filho et al., "Cfx Modeling of An Axial Turbine

with Symmetrical Blades and Reversible Flow for Tidal Power Plants,"

Advanced Materials Research, vol. 860 - 863, pp. 1823-1827, 2013.

[8] David Kilama Okot, "Review of Small Hydropower Technology,"

Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 26, pp. 515-520,

October 2013.

[9] Rui, M. G Castro, "Energias Renováveis e Produção Descentralizada –

Introdução à Energia Mini-Hídrica.," Universidade Técnica de Lisboa,

Lisboa, 2008.

VIII. BIOGRAFIAS

Pedro Bezerra Leite Neto possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do

Maranhão (2009) e mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Maranhão (2012). Atua

na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em

Geração da Energia Elétrica, atuando principalmente nos seguintes temas: energia maremotriz e energias

renováveis.

Olga Lira Dantas do Amaral é estudante do curso de

Engenharia de Eletricidade na Universidade Federal

do Maranhão com ênfase em Sistemas Elétricos de

Potência. Atua na área de Engenharia Elétrica, com

ênfase em Geração da Energia Elétrica, atuando

principalmente nos seguintes temas: energia

maremotriz e energias renováveis.

Osvaldo Ronald Saavedra recebeu os graus de

Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela

Universidade Estadual de Campinas, Brasil, em 1988

e 1993, respectivamente. Atualmente é professor

titular da Universidade Federal do Maranhão. Foi

fundador do Núcleo de Energias Alternativas da

UFMA, Coordenou a fundação do Instituto de

Energia Elétrica na UFMA. Foi Coordenador da

Região nordeste da Sociedade Brasileira de Automática e membro do

Conselho Superior dessa Sociedade por dois períodos. Foi vice-presidente

da SBA pelo biênio 2010-2012. É membro do comitê editorial de várias

revistas, revisor de vários periódicos, membro da SBA e IEEE. Desde

meados de 2011 está a disposição do Governo do Estado do Maranhão,

ocupando o cargo de Secretário Adjunto de Ciência e Tecnologia.

Márcio Vaz dos Santos é bacharel e licenciado em

Ciências Biológicas pela Universidade Santa Úrsula

(1983), mestrado em Engenharia Ambiental -

Colorado School of Mines (1989) e doutorado em

Ciências Ambientais - University of Virginia (1996).

Atualmente é professor adjunto da Universidade

Federal do Maranhão. Tem experiência na área de

Geociências, com ênfase em Ciências Ambientais,

atuando principalmente nos seguintes temas: avaliação de impacto

ambiental, zoneamento econômico e ecológico, geoprocessamento,

hidrologia costeira, manguezais.

Geraldo Lúcio Tiago Filho: Graduação em

Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de

Itajubá (1979), Mestrado em Engenharia Mecânica,

na Área de Máquinas de Fluxo, pela Universidade

Federal de Itajubá (1987) e Doutorado em

Engenharia Civil, na área de Hidráulica, pela

Universidade de São Paulo (1994). Atualmente é

Professor Titular da Universidade Federal de Itajubá.

Editor da revista PCH Notícias & SHP News.




6

Tiago Soares Correa possui graduação em Engenharia

Hídrica pela Universidade Federal de Itajubá (2009).

Pós-Graduado em Educação Ambiental e

Desenvolvimento Sustentável, pela Faculdade São

Luís Jaboticabal. Atualmente é Técnico em

Hidrologia da Universidade Federal de Itajubá. Tem

experiência na área de Engenharia Hídrica, com

ênfase em Hidrometria e estudos de viabilidade

hidroenergéticas para Pequenas Centrais Hidrelétricas.

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