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AVALIAÇÃO DA EMISSÃO DE CO2
DEVIDO AO USO DE MATERIAIS
ALTERNATIVOS NO PROJETO DE
CONVERSOR DE ENERGIA DAS ONDAS
João Pedro Silva Rodrigues
Projeto de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia Mecânica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos necessários à
obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Orientadores:
Anna Carla Monteiro de Araujo
Eliab Ricarte Beserra
Rio de Janeiro
Março de 2019
i
AVALIAÇÃO DA EMISSÃO DE CO2 DEVIDO AO USO DE MATERIAIS
ALTERNATIVOS NO PROJETO DE CONVERSOR DE ENERGIA DAS ONDAS
João Pedro Silva Rodrigues
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO
MECÂNICO.
Examinado por:
Prof. Anna Carla Monteiro Araujo,
D.Sc. (Orientadora)
Prof. Eliab Ricarte Beserra, D.Sc.
(Orientador)
Prof. Fábio Luiz Zamberlan, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
MARÇO DE 2019
ii
Rodrigues, João Pedro Silva
Avaliação da Emissão de CO2 Devido ao Uso de Materiais
Alternativos no Projeto de Conversor de Energia das Ondas/João
Pedro Silva Rodrigues. – Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica,
2019
XIII, 68 p.: il;29,7 cm
Orientadores: Anna Carla Monteiro de Araujo / Eliab Ricarte
Beserra
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de
Engenharia Mecânica, 2019.
Referências Bibliográficas: p. 100 – 104
1.Energia da ondas 2. Energias renováveis 3.Ciclo de vida 4.
Pegada de Carbono 5. Efeito estufa 6. Seleção de materiais
7.Impactos ambientais I. Araujo, Anna Carla Monteiro de
II.Avaliação da Emissão de CO2 Devido ao Uso de Materiais
Alternativos no Projeto de Conversor de Energia das Ondas.
iii
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Avaliação da Emissão de CO2 Devido ao Uso de Materiais Alternativos no Projeto
de Conversor de Energia das Ondas
João Pedro Silva Rodrigues março/2019
Orientadores: Anna Carla Monteiro de Araujo, Eliab Ricarte Beserra,
Curso: Engenharia Mecânica
O presente projeto final de graduação visa principiar o estudo acerca do ciclo de
vida dos materiais envolvidos na construção de um protótipo de conversor de energia das
ondas do tipo ponto absorvedor, em desenvolvimento pela equipe do Programa de
Planejamento Energético (PPE) da UFRJ. O tema principal desse trabalho é a avaliação
das emissões de gases de efeito estufa na manufatura, uso e descarte dos componentes
estruturais do conversor de energia das ondas desenvolvido, que tem como objetivo
principal diminuir os impactos ambientais que o processo de retirada da matéria prima,
produção das partes integrantes e posterior descarte possa ter no local de inserção do
protótipo. Para a análise, serão testados diferentes tipos de materiais que poderiam
compor o protótipo. Em seguida são discutidos quais materiais atendem aos requisitos
mecânicos de solicitação do protótipo e quais o atendem com os menores impactos
ambientais em seu processo produtivo e de descarte para sua comunidade de inserção.
Por último, foram indicados quais os materiais que melhor atendem às exigências
mecânicas e ambientais, considerando também custos no processo produtivo e de
descarte, facilidade de manutenção, etc.
Palavras-chave: energia das ondas, energias renováveis, ciclo de vida, pegada de
carbono, emissão, efeito estufa, seleção de matérias, impactos ambientais.
iv
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial
fulfillment of the requirements for the degree of Mechanical Engineer.
Analysis of CO2 emissions due to the use of alternative materials on a Wave
Energy Converter.
João Pedro Silva Rodrigues March/2019
Course: Mechanical Engineering
Supervisors: Anna Carla Monteiro Araujo & Eliab Ricarte Beserra
This undergraduate final Project aims to initiate the study about the life cycle of
the parts involved in the design of a point absorber wave energy converter (WEC)
prototype, which is being developed by the Energy Planning Program (PPE) of the
Federal University of Rio de Janeiro (UFRJ). The main subject of this work is the assess
of the greenhouse effect gases emissions involved in the manufacturing and disposal of
the structural parts of the Wave Energy Converter designed, which has the main goal to
reduce environmental impacts related to the production process and the hindmost discard
of the parts of the WEC. For the analysis, it will be tested different types of materials that
could be part of the prototype. Then, it will be discussed which materials attend the
mechanical and environmental requirements during its production process. Finally, it will
be indicated which materials best attend the requirements of the project, also taking into
account costs, ease of maintenance, etc.
Key words: wave power, renewables energies, life cycle, carbon footprints,
emissions, greenhouse effect, selection of materials, environmental impacts.
v
Citação
“Ideias e somente ideias podem iluminar a escuridão.”
Ludwig von Mises
“O declínio da liberdade de um país é o declínio de sua prosperidade”
Ayn Rand
“Seja você quem for, seja qual for a posição social que você tenha na vida, a mais
alta ou a mais baixa, tenha sempre como meta muita força, muita determinação e sempre
faça tudo com muito amor e com muita fé em Deus, que um dia você chega lá. De alguma
maneira você chega lá.”
Ayrton Senna
vi
Agradecimentos
São diversas as mãos que agora junto às minhas, escrevem o capítulo final dessa
trajetória. Toda vitória é fruto de um esforço coletivo e a minha não poderia ser diferente.
Começando do princípio, agradeço a todos os amigos e familiares de Nova
Friburgo – RJ. Cada um que cruzou meu caminho contribuiu para a formação da minha
personalidade e caráter e me deu estímulos a ser melhor sempre. Muito obrigado.
À Belo Horizonte vai um abraço especial a todos os amigos do Colégio Pitágoras
e Bernoulli. Receberam-me de braços abertos em época de mudanças e também
acrescentaram suas particularidades em minha vida. Foi um capítulo especial em minha
vida e continua sendo sempre que volto.
Em Niterói o agradecimento especial vai a todos que me deram carona ao longo
desses anos e tornaram minha jornada menos massiva e com melhor aproveitamento de
tempo. Um agradecimento especial também direcionado a todos da UFRJ que conviveram
diariamente comigo. Sem vocês tudo isso seria bem mais difícil e chato. Espero carregar
cada um de vocês pela minha vida. Muito obrigado.
Internacionalmente, o meu muito obrigado a todos os que cruzaram meu caminho
na Alemanha e na Europa durante meu intercâmbio. A todos de Mannheim, professores,
mentores e principalmente companheiros de intercâmbio. Vocês fizeram dessa
experiência a melhor da minha vida. Aos amigos de Schmalkalden, toda a minha gratidão.
Naquela pacata e charmosa cidade, o melhor dela eram os brasileiros, sua união e
felicidade.
Aos meus orientadores, prof. Dr. Eliab Ricarte e Anna Carla Araujo, agradeço
pela paciência em minha jornada na confecção desse trabalho e todo o incentivo e auxílio
prestado. Obrigado pela oportunidade de fazer parte desse projeto.
À minha mãe Cecília Maria e ao meu pai Paulo Rodrigues, sou eternamente grato
pela educação, conselhos, carinho, puxões de orelha, sacrifício pelo meu bem. Vocês dois
são os meus maiores exemplos de determinação e valor ao trabalho e dedicação, e devo
tudo o que sou a vocês. Amo muito os dois. Obrigado.
vii
À “Tia Elisa”, obrigado por ter feito o seu melhor para me criar da melhor forma
possível. Você também tem papel importantíssimo nessa vitória. Ao padrasto Gary
agradeço o carinho, educação e parceria, essa vitória também é sua.
Aos irmãos Sávio, Tiago, Hygor, Vitor e Gabriel, obrigado pela convivência,
momentos, brincadeiras e apoio sempre que precisei. São meus mentores e amigos.
Por fim à minha madrinha Helena e ao meu falecido padrinho Edilson. Aqueles
que sempre me trataram como filho, sempre se preocuparam com minha educação e bem-
estar e os que abriram as portas de sua casa para que eu pudesse estudar. Serei eternamente
grato a ambos.
viii
Lista de Figuras
Figura 1 - Formas de onda [1] .............................................................................. 3
Figura 2 - Potencial global médio para a energia das ondas em kW/m [3] .......... 4
Figura 3 - Limites marinhos [4] ............................................................................ 5
Figura 4 - Índice de sazonalidade do recurso da energia das ondas [3]................ 5
Figura 5 - Classificação dos conversores quanto à localização [3] .................... 14
Figura 6 - Pelamis [5] ......................................................................................... 14
Figura 7 - Conversor ponto absorvedor Powerbuoy [6] ..................................... 15
Figura 8 - Conversor terminador Wave Dragon [7] ........................................... 15
Figura 9 - Conversores quanto ao tamanho e direção das ondas incidentes [8] . 16
Figura 10 - Aquamarine Power Oyster [9] ......................................................... 16
Figura 11 - Archimedes Wave Swinger – conversor de efeito Arquimedes [10] 17
Figura 12 - Exemplar de um OWC [11] ............................................................. 17
Figura 13 - Wave Star Energy Converter [12] .................................................... 18
Figura 14 - SSG Wave Energy Converter [13] ................................................... 18
Figura 15 - Resumo das classificações de conversor de energia das ondas. [3] . 19
Figura 16 - Estrutura de avaliação do ciclo de vida ............................................ 22
Figura 17 - Vistas laterais (a), superiores (b), perspectiva (c) dos quatros modelos
piramidais com abas [14] ................................................................................................ 24
Figura 18 - Vistas laterais (a), superiores (b), perspectiva (c) dos modelos cônico
(CONE) e semi-esférico (S-ESF) [14]............................................................................ 25
Figura 19 - Sistema de Roletes [15] ................................................................... 26
Figura 20 - Partes superior e inferior da estrutura [15] ...................................... 26
Figura 21 - Partes superior e inferior da estrutura [15] ...................................... 27
Figura 22 - Modelo de Rolete [15] ..................................................................... 27
Figura 23 - Modelo do Conector [15] ................................................................. 27
Figura 24 - Sistema de transmissão de potência (PTO) [1] ................................ 28
Figura 25 - A) Modelo Proposto; B) Dimensões do Flutuador e da torre treliçada;
C)Dimensões da Base; Dimensões da Placa de Base [16] ............................................. 29
Figura 26 - Estrutura Final Completa da Base [16] ............................................ 29
Figura 27 - (I) vista isométrica da estrutura; (II) vista frontal da estrutura [17]. 31
Figura 28 - Subprodutos do petróleo bruto [24] ................................................. 34
Figura 29 - [26] .................................................................................................. 39
ix
Figura 30 - [27] ................................................................................................... 40
Figura 31 - [28] ................................................................................................... 40
Figura 32 - Ensaio de Beilstein negativo para identificação de halogênios [30] 43
x
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Características mecânicas do HDPE [26] .......................................... 35
Tabela 2 - Principais características do PEAD e PEBD [26] ............................. 37
Tabela 3 - PEUAPM e outros polietilenos. Adaptado de [26]............................ 38
Tabela 4 - Temperaturas de transição de plásticos [30] ..................................... 41
Tabela 5 - Ensaios de tração [30]........................................................................ 44
Tabela 6 - Propriedades de tração para o HDPE puro [30] ................................ 44
Tabela 7 - propriedades de compressão de um HDPE [30] ................................ 44
Tabela 8 - propriedades de flexão [30] ............................................................... 45
Tabela 9 - propriedades de flexão de um HDPE puro [30] ................................ 45
Tabela 10 - propriedades de impacto de um HDPE [30] .................................... 45
Tabela 11 - propriedades de impacto de um HDPE puro [30] ........................... 45
Tabela 12 - Necessidade de aço na Torre ........................................................... 46
Tabela 13 - Necessidade de aço na base com chapas ......................................... 46
Tabela 14 - Necessidade de aço na base com dutos ........................................... 47
Tabela 15 - Necessidade de aço nas estruturas extras ........................................ 47
Tabela 16 - Necessidade total de aço placa da base em chapa ........................... 47
Tabela 17 - Necessidade total de aço placa da base em dutos ............................ 47
Tabela 18 - Necessidade de HDPE na Torre ...................................................... 48
Tabela 19 - Necessidade de HDPE na base de placa em chapa .......................... 48
Tabela 20 - Necessidade de HDPE na base de placa em dutos .......................... 48
Tabela 21 - Necessidade de HDPE nas estruturas extras.................................... 49
Tabela 22 - Necessidade total de HDPE placa da base em chapa ...................... 49
Tabela 23 - Necessidade total de HDPE placa em dutos .................................... 49
Tabela 24 - Fator de perda dos materiais [32] .................................................... 50
Tabela 25 - Fator de emissão devido à utilização do aço [32] ............................ 51
Tabela 26 - Fatores de emissão corrigidos. Adaptado de [32] ........................... 52
Tabela 27 - Fator de consumo médio de energia por tipo de veículo [32] ......... 53
Tabela 28 - Emissões em totais por km viajado (ida e volta) ............................. 54
Tabela 29 - Emissões em totais por km viajado 2 (ida e volta) .......................... 54
Tabela 30 - emissões com aço cenário 1 ............................................................ 54
Tabela 31 - Emissões com placas da base de chapa ........................................... 56
Tabela 32 - Emissão no transporte de HDPE placas da base de chapa .............. 56
xi
Tabela 33 - Emissão no transporte de HDPE 2 placas da base de chapa ........... 57
Tabela 34 - Emissões de CO2 com placas da base de chapas ............................ 57
Tabela 35 - Emissões com placas da base de dutos ............................................ 58
Tabela 36 - Emissões no transporte de HDPE em placas de dutos .................... 58
Tabela 37 - Emissões no transporte de HDPE em placas de dutos 2 ................. 58
Tabela 38 - Emissões de CO2 com placas da base em dutos ............................. 59
Tabela 39 - Total de emissões usando dutos reciclados na base ........................ 60
Tabela 40 emissão flutuador HDPE ................................................................... 60
Tabela 41 - Novo peso da estrutura combinada HDPE - aço ............................. 61
Tabela 42 Emissão no transporte da estrutura combinada .................................. 61
Tabela 43 - Emissão no transporte da estrutura combinada 2 ............................ 61
Tabela 44 - Resumo de emissões da estrutura combinada ................................. 62
Tabela 45 - Resumo comparativo ....................................................................... 62
xii
Sumário
Citação ................................................................................................................. v
Agradecimentos .................................................................................................. vi
1. Introdução ................................................................................................. 1
1.1. Motivação para energia das ondas ...................................................... 2
1.2. Objetivos do estudo e justificativas. .................................................... 7
1.3. O dispositivo de conversão de energia das ondas ............................... 8
2. Revisão Bibliográfica .............................................................................. 10
2.2. Os pioneiros na exploração ................................................................ 11
2.3. Os conversores de energia das ondas ................................................ 12
3. Estrutura do estudo ................................................................................ 20
3.1. Escopo do estudo ................................................................................. 20
3.2. Metodologia de estudo ........................................................................ 20
3.3. Estrutura lógica do estudo ................................................................. 22
4. Descrição e enumeração dos componentes de um WEC ..................... 23
4.1. Flutuador ............................................................................................. 23
4.2. Sistema de deslizamento do corpo flutuante .................................... 25
4.3. Sistema de transmissão de potência – PTO ...................................... 27
4.4. Base de transporte e fixação............................................................... 28
4.5. Estrutura de sustentação .................................................................... 30
5. Desenvolvimento de cenários de escolha de materiais ........................ 32
5.1. Compra de todo inventário em aço ....................................................... 49
5.2. Compra de todo inventário em HDPE .................................................. 55
5.2.1. Compra de todo inventário – placas de chapas na base .................. 56
5.2.2. Compra de todo inventário – dutos na base ..................................... 57
5.3. Caso de Reciclagem de dutos de perfuração ........................................ 59
5.4. Combinação de estrutura em aço e HDPE ........................................... 60
xiii
5.5. Análise comparativa ............................................................................... 62
6. Conclusões e sugestões ........................................................................... 64
7. Referências Bibliográficas ..................................................................... 66
1
1. Introdução
Atualmente, observa-se ainda uma grande predominância na matriz energética
global da utilização de combustíveis fósseis como fonte de energia. Esta conjuntura traz
à sociedade impactos ambientais de proporções catastróficas, como o derretimento
alarmante de geleiras nas regiões polares e o aumento no nível do mar, que podem
ocasionar outros problemas de ordem ainda mais grave.
Além disso, as taxas de extração de petróleo, devido à dependência global dessa
fonte energética, são maiores que as taxas de recomposição das bacias sedimentares que
originam o óleo bruto no fundo do mar. A conta é simples, se não houver mudança na
forma que a sociedade como um todo produz e consome energia, logo estaremos sem
fonte alguma e um cenário caótico se desenha com clareza, com a possibilidade de guerras
por recursos, inclusive.
O aspecto geopolítico também é um catalisador do desenvolvimento e pesquisa
na área de energias renováveis. A OPEP acabou se caracterizando ao longo dos anos como
um cartel entre os países produtores de petróleo, ditando os níveis de produtividade do
recurso e por consequência seu preço. Ser dependente de acordos entre os países membros
pode ser arriscado para qualquer país que baliza sua matriz energética pela exploração de
combustíveis fósseis. Além do mais, grande parte dos países membros da OPEP também
possuem governos de viés no mínimo duvidoso, o que também traz o receio de conflitos
pelo uso e controle do petróleo, na medida que ele vai se tornando mais e mais escasso.
Frente ao quadro apresentado, a maior consciência da geração atual quanto ao
problema e a pressão por mudanças, houve aumento nos investimentos feitos pela
iniciativa privada e pública visando à exploração de novas fontes de energia limpa e
renovável.
Muitos países já apresentam uma boa parte de sua matriz energética com origem
em energia renovável. A Irlanda, por exemplo, é um dos países da União Europeia que se
destaca na exploração de energia eólica em sua matriz energética.
Além da intermitência inerente a muitas das fontes denominadas “alternativas”,
uma das maiores dificuldades de implementação desse modal de exploração energética
era o custo por energia produzida, ou seja, R$/kWh.
2
Tratados internacionais, como o Protocolo de Kyoto e a Conferência do Clima em
Paris (COP21), que objetivam estabelecer metas de redução de emissões de CO2 pelos
países que desses participam, são fatores que estimulam a produção de conhecimento
científico que embasem uma exploração de fontes renováveis de energia de forma mais
eficiente energeticamente e também financeiramente, diminuindo seus custos por energia.
Logo, constata-se que o cenário é favorável para que pesquisas sejam feitas de
modo a otimizar a exploração de energias alternativas em detrimento aos combustíveis
fósseis.
O Brasil se posiciona nesse cenário num local de grande potencial, principalmente
por ser privilegiado em questões de extensão territorial e variedade de recursos
energéticos. Sendo país signatário de tratados internacionais de cooperação pela redução
de emissões poluentes, o país deve estar apto a produzir, de forma inovadora,
independente e líder, conhecimento de forma autônoma na área, como já ocorreu e se
mantém, por exemplo, com o etanol e a cana-de-açúcar.
Nesse sentido, o presente estudo visa dar sua contribuição ao desenvolvimento da
ciência brasileira no tema, além de poder ser útil na melhoria da qualidade de vida dos
brasileiros, geração de novos empregos e melhoria dos desdobramentos críticos da
exploração desenfreada de fontes fósseis.
1.1. Motivação para energia das ondas
Definição e características básicas
A energia das ondas é na verdade uma forma de energia solar. O sol, por aquecer
de maneira desigual a superfície terrestre, gera um gradiente de pressão produzido pelas
diferenças de temperatura ao redor do planeta. Esses gradientes de pressão por sua vez,
causam a ocorrência de correntes de ar, que por sua vez percorrem a superfície dos
oceanos gerando ondas.
A energia das ondas pode ser decomposta em duas formas de energia, a potencial
e a cinética. A cinética é gerada pela movimentação das moléculas de água, já potencial
é gerada pelo acúmulo de energia que uma partícula de água na onda tem, quando é
elevada de um ponto de menor altura para um de maior. A figura 1 abaixo exemplifica a
explicação:
3
Figura 1 - Formas de onda [1]
Quando a energia solar é convertida em energia eólica, o fluxo médio de energia
ao longo do tempo é espacialmente concentrado, de uma intensidade típica de 0,1~0,3
kW/m2 de área horizontal da superfície da Terra, para 0,5 kW/m2 de área projetada
perpendicular à direção do vento.
Quando a energia do vento é convertida para energia das ondas, o fluxo se torna
ainda mais concentrado. Logo abaixo da superfície do oceano, a concentração média é da
ordem de 2~3 kW/m2 de área projetada perpendicular à direção de propagação das ondas.
Este aumento na concentração de energia e o fato da energia das ondas ser mais constante
que a energia eólica, é um estimulante para que mais pesquisas sejam voltadas para este
assunto.
Potencial Global, vantagens e desvantagens da exploração
Segundo Falnes [2], o potencial global de energia representado pelas ondas que
atingem todas as áreas costeiras do mundo é da ordem de 10 TW (1 terawatt = 1012 W).
Se a energia das ondas for captada em mar aberto, onde o potencial é ainda maior do que
nas regiões costeiras, a energia que seria dissipada por fricção com o leito marinho ou
com o quebramento das ondas ao se aproximar da costa, poderia ser utilizada. Neste caso,
o potencial de energia global das ondas subiria para algo em torno de 1013 W, uma
quantidade que é comparável ao consumo de energia do mundo inteiro em 2007.
Embora isto represente apenas uma pequena fração da energia eólica global, que
por sua vez representa uma pequena fração da energia solar global, a energia das ondas
se destaca como uma enorme fonte de energia inexplorada.
A figura 2 a seguir exibe as regiões com maior potencial de exploração da energia
das ondas no mundo. Ela é resultado da combinação de dados de altimetria por satélite de
4
alta precisão e estatísticas de medições realizadas em boias, coletadas durante 10 anos
(LÓPEZ, et al. 2013).
Figura 2 - Potencial global médio para a energia das ondas em kW/m [3]
Conforme a imagem deixa claro, as regiões de maior potencial de exploração de
energia das ondas são delimitadas pelas latitudes de 40° a 60°, tanto no Hemisfério Norte,
quanto no Hemisfério Sul. Destaque especial para a região localizada ao sul do Oceano
Índico e que vai até a costa sul da Austrália e Nova Zelândia.
A costa brasileira, de acordo com a figura, tem potencial estimado entre 10 e 20
kW/m. Entretanto, a extensão de nossa costa nos mostra o potencial de exploração que o
Brasil possui. O Brasil possui uma Zona Econômica Exclusiva (ZEE) denominada
Amazônia Azul. Ela é uma área oceânica de aproximadamente 3,6 milhões de km2, os
quais, somados aos 900 mil km2 de extensão que o Brasil reivindica junto à Organização
das Nações Unidas (ONU), perfazem um total de aproximadamente 4,5 milhões de km2.
Corresponde a aproximadamente 52% da nossa área continental com extrema importância
estratégica pelos incalculáveis recursos que pode oferecer. A ZEE é uma faixa situada até
200 milhas náuticas (MN), sobre a qual o Estado exerce soberania, para fins de
exploração, aproveitamento, conservação e gestão dos recursos naturais
A figura 3 abaixo detalha as delimitações do território marinho, mostrando
também a Zona Econômica Exclusiva, acima citada. Nela podemos ver que até o limite
de 200 milhas náuticas, o Brasil tem exclusividade na exploração de suas águas.
5
Figura 3 - Limites marinhos [4]
A figura 4 abaixo também nos mostra como a energia das ondas se comporta no
mundo em termos de sazonalidade da oferta do recurso. Ela mostra que o Brasil não sofre
com variações excessivas na oferta da energia das ondas. Essa é uma característica
importante para aqueles que buscam maior segurança no momento de explorar a energia
das ondas e um diferencial brasileiro, frente a outros países que sofrem mais com a
variabilidade da disponibilidade do recurso.
Figura 4 - Índice de sazonalidade do recurso da energia das ondas [3]
6
De acordo com Drew, Plummer e Sahinkaya [5], as principais vantagens da
exploração de energia das ondas são:
• Ondas oceânicas apresentam a maior concentração espacial de fluxo energético,
conforme discutido acima;
• Ondas podem se propagar por grandes distâncias com muita pouca dissipação de
energia, dessa forma o mar age como um integrador entre os continentes. Ventos
na costa da África, por exemplo, podem gerar ondas que viagem até a costa do
Brasil
• Baixo impacto ambiental negativo;
• Estima-se que dispositivos conversores de energia das ondas podem gerar
energia por até 90% do tempo de operação em determinadas regiões, comparado
a 20~30% dos dispositivos de energia eólica e de 9 a 12% da energia solar, por
exemplo.
Segundo [5], outras vantagens da exploração de energia das ondas são:
• Sua capacidade de geração de energia prevista é bem maior que a prevista para
energia eólica.
• Tem uma boa correlação entre oferta e procura, já que aproximadamente 37% da
população mundial vive distante apenas 90 km da costa.
• É uma fonte de energia de disponibilidade vasta, já que sua exploração pode
ocorrer tanto em águas rasas, quanto em águas profundas.
Ainda segundo [5], essas são algumas dificuldades que deverão ser superadas, de
modo a garantir satisfatória exploração da energia das ondas:
• Conversão dos movimentos oscilatórios das ondas que são lentos e/ou aleatórios
em movimentação útil para conectar um gerador e produzir uma energia útil ao
grid.
• Tratamento da variação de altura e período das ondas. Essa variação implica em
variações nos níveis de energia que são inputs de um sistema. Em contrapartida,
o sistema deve entregar um sinal elétrico suave. O uso de reservatórios pode ser
exigido.
• Em regiões offshore, o vento que produz as ondas varia consideravelmente em
direção, exigindo que os dispositivos se alinhem conforme a incidência das ondas
7
de forma a capturar o máximo de energia possível. Em regiões mais próximas à
costa, as ondas tendem a ficar paralelas à costa.
• Em regiões offshore, é onde se encontra as condições de maior energia disponível,
porém também das condições mais hostis à exploração. Desafios estruturais para
suportar condições extremas do oceano e a dificuldade de planejar, transmitir e
executar manutenção nessas profundidades são desafios à produção segura de
energia nesses ambientes.
• A atração de investimento, nessa nova forma de exploração de energia compete
com investimentos em energias mais maduras, no tocante ao desenvolvimento
tecnológico, ganho de escala e retorno financeiro no curto prazo. Portanto, um
outro desafio é mostrar aos investidores a mudança que a matriz energética
mundial está passando e os possíveis retornos financeiros que a exploração da
energia das ondas pode fornecer, principalmente quando eliminamos transmissão
e armazenamento de energia, grandes fontes de perda.
Segundo a CIA, agência americana de inteligência, o Brasil é um dos países com
maior área costeira do mundo, ocupando a 16ª posição. Além disso, diversos centros de
atividade econômica do país são localizados em regiões litorâneas e existe uma
significativa atividade portuária. Ainda assim, a energia das ondas não é explorada, e
estes dispositivos podem ser usados não só para geração de energia elétrica, como
também para bombeamento de fluidos, dessalinização da água dos oceanos, sistemas
trocadores de calor, proteção à costa, dentre outros propósitos.
1.2. Objetivos do estudo e justificativas.
Dentro do contexto de exploração do recurso e das motivações para fazê-la, o
presente estudo visa estudar os diferentes tipos de materiais que podem ser utilizados em
um Conversor de Energia das Ondas, do termo em inglês Wave Energy Converter (WEC).
Junto a esse estudo, aprofundaremos a análise dos materiais em características como
tempo de vida, pegadas de carbono, custos de instalação, fixação e transmissão.
O projeto visa com o estudo de custos, pegada de carbono e adequação do material
à solicitação do projeto, esclarecer quais materiais atendem da melhor forma
determinadas exigências de projeto e indicar finalmente qual o que melhor atende aos
anseios do WEC, de forma segura, eficiente e com o menor impacto ambiental causado
às comunidades em que for implementado futuramente.
8
Ademais, a exploração da energia das ondas, de forma direta e sem processos
intermediários de transmissão de energia e armazenamento em subestações, tem como
objetivo o melhor aproveitamento e maior eficiência, no tocante à produção energética.
Dessa forma, o presente trabalho tem por objetivo garantir que todo o processo de
exploração de energia das ondas seja eficiente e “limpo”, garantindo baixa perda de
energia por transmissão (inerente à exploração da energia das ondas) e também baixa
perda por instalação, e manutenção dos equipamentos constituintes do WEC.
1.3. O dispositivo de conversão de energia das ondas
A equipe de pesquisadores do Programa de Planejamento Energético da COPPE-
UFRJ vem desenvolvendo um protótipo de um sistema mecânico capaz de converter o
movimento oscilatório das ondas do mar em energia útil. Ele é do tipo ponto absorvedor
(a ser explicado no capítulo 2) e é resultado do trabalho colaborativo de alunos de
graduação, pós-graduação e pesquisadores do Programa de Planejamento Energético da
Coppe, liderados pelo pesquisador Dr. Eng. Eliab Ricarte.
Como já argumentado, o oceano é uma fonte notável de energia renovável e
muitos dos seus usos ainda estão em fase de pesquisa e desenvolvimento. Dessa forma,
os trabalhos que estão sendo desenvolvidos, assim como o presente trabalho, visam
contribuir para o entendimento da fonte de energia, dos melhores usos que podemos fazer
da energia convertida, das melhores formas de operar o protótipo e da melhor maneira de
integrar essa inovação à localidade que dele fizer uso, sendo sempre o mínimo nociva à
população e procurando estar inserida em um ciclo de produção que possa diminuir
desperdícios, não só em seu ciclo de vida, mas também de outros setores da economia.
O protótipo está sendo desenvolvido com o objetivo de ser operado em águas rasas
ou de profundidade intermediária (nearshore). A escolha pelo posicionamento
supracitado é pautada nas seguintes vantagens: custos operacionais menores, facilidade
de acesso aos equipamentos (o que permite manutenção regular e identificação de
possíveis problemas ainda em fase inicial), menor custo de transmissão de energia, devido
à proximidade com a costa e consequentemente com sua demanda por energia, e a maior
facilidade na fixação dos equipamentos no leito marinho, já que em águas mais profundas,
o tamanho da estrutura e a força e tamanho das ondas incidentes passa a ser um problema
estrutural muito complexo de ser resolvido.
9
Uma desvantagem da escolha é a perda natural de energia potencial em águas
rasas, que é convertida em energia cinética. Essa conversão dificulta a extração de energia
das ondas por WEC´s do tipo ponto absorvedor.
Além disso, quanto maior a proximidade com a costa, mais o leito marinho dissipa
a energia das ondas sob forma de atrito.
10
2. Revisão Bibliográfica
2.1. Histórico de exploração da tecnologia e suas motivações
A energia, de acordo com seu estado de processamento, pode ser classificada em
três categorias. São elas: energia primária, secundária e final.
A energia primária, é aquela que ainda se encontra em seu estado “bruto” como o
petróleo, o carvão, a irradiação solar, ventos e ondas.
Por outro lado, a energia secundária assume a forma derivada do processamento
e transformação da energia primária. Logo, exemplos de energia secundária possíveis de
serem nomeados são a energia elétrica, derivados do petróleo e o álcool.
Por fim, a energia final representa o uso do recurso energético após as
transformações sofridas durante seu processamento. Exemplos aqui são a iluminação, o
aquecimento de ambientes, entre outros.
Do início do processo, quando a fonte primária de energia é identificada e adotada
como insumo energético para um uso final, até o uso final de fato do recurso energético,
ocorrem várias etapas de processamento, transformação, distribuição e possíveis
armazenamentos.
Toda esse transporte, armazenamento e destinação final ao consumidor para uso,
gera uma série de ineficiências dos mais variados aspectos.
Energeticamente, a transmissão de energia, geralmente por cabeamento, dissipa
grande parte do montante primário por “Efeito Joule”. O armazenamento em subestações
para redução de voltagem e adequação ao consumidor final, também gera ineficiência no
aproveitamento energético.
Sob a ótica da logística do processo, os custos envolvem transporte da energia,
centros de transformação, armazenamentos, riscos ambientais na transmissão e
dependendo das fontes desejadas, alagamento de áreas e deslocamento de população
local, podem ser requisitos para perfeita operação das usinas de produção energética.
Tudo isso envolve vidas, riscos ambientais, desmatamento de regiões, alagamento
de áreas antes não inundadas, possibilidades de vazamentos, desperdício de energia na
transmissão ao consumidor final.
11
Usando o exemplo do carvão como energia primária e da iluminação como energia
final, estima-se que apenas 0,67% das unidades energéticas são aproveitadas para o uso
final de iluminação, comparado à toda energia presente na fonte primária. É muita perda!
Nesse cenário de exploração pouco eficiente da energia, surgiu a vontade de
explorar a energia sem necessariamente fazer uso de energia elétrica, motivação do
presente projeto, com o objetivo de otimizar o uso da energia e melhorar a eficiência
energética, por meio da extinção dos processos de transporte e processamento energético
e produção “in loco”, o que reduz etapas e facilita o processo.
2.2. Os pioneiros na exploração
No que diz respeito à exploração da energia das ondas oceânicas para produção
de energia e mais especificamente para a dessalinização da água do oceano, pode-se
afirmar que a tecnologia é ainda pouco explorada e de certa forma, embrionária.
Segundo Falnes [2], a primeira patente registrada sobre um conversor de energia
das ondas aconteceu a mais de 200 anos, em Paris, em 1799, por um pesquisador francês
de nome Girard.
Atualmente, existem inúmeras patentes registradas relacionadas a essa fonte
energética, com mais de duas centenas de projetos já tendo atingido o nível de protótipo.
Apesar das primeiras manifestações de intenção de pesquisa no tema datarem do século
XVIII, a maioria do conhecimento hoje disponível foi desenvolvido recentemente, nos
últimos 40 anos.
Os conversores de energia das ondas são denominados em inglês “Wave Energy
Converters”, ou pela sigla WEC.
Na década de 1940, o cientista japonês Yoshio Masuda foi pioneiro na realização
de testes e no desenvolvimento de dispositivos conversores de energia das ondas.
Na Europa, Stephan Salter e Kjell Budal, em 1973, iniciaram com seus respectivos
grupos, pesquisas sobre energia das ondas em universidades da Escócia e na Noruega,
respectivamente.
No EUA, Michael E. McCormick foi quem iniciou pesquisa na área, que só viria
a ser a se intensificar e atingir escala global a partir da crise do petróleo em 1973, quando
12
a necessidade levou diversos pesquisadores a investigar alternativas ao petróleo como
fonte energética.
Na década de 70, programas de pesquisa e desenvolvimento foram financiados
pelo governo Europeu em países como Reino Unido, Suécia e Noruega. Entretanto, a
década de 80 trouxe queda brusca no preço do petróleo, e investimentos em pesquisa e
desenvolvimento na área diminuíram.
A década de 90 veio acompanhada da ameaça do aquecimento global e a crescente
consciência da população mundial a cerca dessa ameaça. Junto a esse fator, as já
constantes variações no preço do petróleo motivaram economicamente o governo a
financiar a produção científica no tema.
Nessa época outras fontes de energia renovável e alternativas ao petróleo
ganharam mais protagonismo, entre elas a energia das ondas.
2.3. Os conversores de energia das ondas
Ao longo dos anos diversos tipos de conversores de energia das ondas foram
desenvolvidos e dentre os diversos protótipos existentes atualmente, podemos classifica-
los de acordo com 3 características: segundo a localização, tamanho e princípio de
trabalho.
Localização: Usando essa característica como critério de classificação, temos três
tipos de conversores de energia das ondas: os dispositivos onshore, os nearshore e os
offshore.
Os dispositivos onshore são localizados na costa e podem ser instalados acima do
nível do mar. Possuem a vantagem de serem mais acessíveis fisicamente do ponto de vista
da manutenção dos equipamentos e da instalação, todos eles acessíveis por terra. Outro
ponto vantajoso proveniente da proximidade com a terra é a redução das perdas elétricas
e custos com a transmissão de energia, que por ventura seria necessário caso o dispositivo
estivesse em alto mar.
Entretanto esse modelo possui também suas desvantagens. A energia das ondas
perto da costa é bem reduzida, quando comparada à energia que a mesma onda transmite
em mar aberto. Isso ocorre devido ao atrito com o leito do mar e do fato da costa ser o
“cemitério das ondas”, ou seja, onde ela morre e chega com menos energia.
13
Outra desvantagem envolve o impacto que a instalação desse dispositivo tem em
seu ecossistema, como alteração visual das praias para turistas, “invasão” de ambientes
antes dominados apenas pela fauna marinha, entre outros. Por remodelar sua geografia,
existem impactos associados ao oceano. A facilidade em encontrar sítios compatíveis a
essas instalações e que também não gerem impacto à sociedade em que ele estará inserido,
também é um desafio desses modais.
Já os dispositivos nearshore são aqueles instalados algumas centenas de metros
distantes da costa em profundidades moderadas de água (~10 a 25m).
Por fim, os dispositivos offshore são aqueles localizados em águas profundas (~
25m) e podem ser estruturas flutuantes assim como os dispositivos nearshore ou
estruturas fixas ao leito do oceano, exigindo estudo à resistência de materiais às correntes
marítimas e à energia das ondas que atravessam os conectores e o dispositivo.
A principal vantagem desse dispositivo é o contato direto com uma quantidade
maior de energia proveniente das ondas, evitando as perdas que o atrito com o leito do
oceano causa.
Entretanto, esse contato também gera algumas desvantagens relacionadas a esse
tipo de exploração. Elas são: dificuldade de acesso para manutenção e controle do
processo, maior quantidade de cabos para transmissão de energia do alto mar para a costa,
maior exigência mecânica para resistir aos maiores esforços envolvidos.
A figura 5 abaixo elucida as classificações quanto à localização, acima descritas:
14
Figura 5 - Classificação dos conversores quanto à localização [3]
Classificação quanto ao tamanho do dispositivo e características das direções
das ondas
Segundo López [3], a classificação dos conversores quanto ao tamanho e direção
das ondas pode ser de três tipos: atenuador, ponto absorvedor e os terminadores.
Atenuadores: Esse tipo de conversor é posicionado paralelamente à direção de
propagação da onda e sua estrutura é consideravelmente maior que o comprimento de
onda. O WEC Pelamis é um exemplo, composto de uma série de seções cilíndricas unidas
por articulações, que permitem que essas seções cilíndricas se movimentem relativamente
umas às outras. Recebem esse nome, pois exercem a função de atenuar a amplitude das
ondas incidentes
A figura 6 abaixo exemplifica um conversor atenuador:
Figura 6 - Pelamis [5]
Ponto absorvedor: De forma distinta de outros dispositivos, o conversor ponto
absorvedor coleta energia de todas as direções de ondas incidentes. Em comparação ao
comprimento de onda, esses dispositivos possuem diâmetro menor. Geram eletricidade
através da conversão do movimento oscilatório de “sobe e desce” das ondas em
movimentos de rotação. O movimento de rotação aciona geradores elétricos que
produzem eletricidade.
15
Um exemplo desse tipo de conversor ponto absorvedor é o Power Buoy, ilustrado
abaixo, pela figura 7:
Figura 7 - Conversor ponto absorvedor Powerbuoy [6]
Terminadores: Esse tipo de conversor possui similaridades aos atenuadores, no
que diz respeito ao tamanho de suas estruturas, que também são longas. Contudo, sua
principal diferença com eles é que são posicionados perpendicularmente à direção
principal de propagação das ondas incidentes, e não paralelamente. Dessa forma, sua
ação, com o perdão da redundância é “terminar” a onda, cessando toda sua energia
cinética.
O conversor Wave Dragon, ilustrado na figura 8 abaixo, é um exemplar de
conversor terminador:
Figura 8 - Conversor terminador Wave Dragon [7]
16
Figura 9 - Conversores quanto ao tamanho e direção das ondas incidentes [8]
A figura 9 acima resume as classificações dos conversores quanto ao tamanho e
direção das ondas:
Finalmente, de acordo com López [3] os conversores de energia também podem
ser classificados quanto ao seu princípio de funcionamento. Segundo essa linha de
categorização, os conversores podem ser classificados da seguinte forma: os dispositivos
de impacto, os diferenciais de pressão, as estruturas flutuantes e os mecanismos
overtopping.
Dispositivos de impacto: São conversores posicionados perpendiculares à
direção de propagação das ondas e podem possuir estruturas articuladas ou flexíveis. Seu
princípio de funcionamento consiste na movimentação de seu defletor para frente e para
trás, conforme a absorção dos impactos incidentes.
A figura 10 abaixo exemplifica o Aquamarine Power Oyster, um exemplar deste
tipo de conversor:
Figura 10 - Aquamarine Power Oyster [9]
Diferenciais de pressão: Os dispositivos classificados nessa categoria podem ser
divididos em duas subcategorias: o Conversor de Arquimedes e os chamados de Coluna
de Água Oscilante, da sigla em inglês OWCs (Oscilating Water Column)
O primeiro é geralmente utilizado nas localidades classificadas anteriormente
como nearshore e são fixados no leito marítimo, de forma submersa. É um conversor do
17
tipo ponto absorvedor. Ele oscila com a variação de pressão induzida pela passagem da
crista e dos vales das ondas sobre a estrutura que se encontra submersa. Quando a crista
da onda se encontra no dispositivo, ela pressiona o ar que se encontra dentro do mesmo e
move o mecanismo para baixo. Quando a onda passa pelo dispositivo, a pressão da água
diminui e o dispositivo move-se para cima.
O “Archimides Wave Swing” AWS é um exemplo de conversor de efeito
Arquimedes, ilustrado na figura 11 abaixo:
Figura 11 - Archimedes Wave Swinger – conversor de efeito Arquimedes [10]
Os OWC’s são dispositivos que contém uma câmara semi-submersa aberta no seu
fundo. A movimentação das ondas varia o nível de água dentro da câmara, que por
consequência varia o volume interno de ar. Esse fluxo de ar originado, mesmo que
bidirecional, aciona uma turbina que gira sempre na mesma direção. Um exemplo de um
OWC é o Limpet (Land Installed Maritime Power Energy Transmitter).
A figura 12 abaixo ilustra o Limpet e seu princípio de funcionamento:
Figura 12 - Exemplar de um OWC [11]
18
Estruturas flutuantes: Esse tipo de dispositivo é baseado em estruturas
flutuantes que são movimentadas pelas ondas. Aqui o movimento oscilatório das ondas
pode ser vertical, horizontal de impacto ou uma combinação deles. Exemplar desse tipo
de estrutura é o WaveStar, estrutura flutuante múltipla. O conversor abaixo também pode
ser classificado como ponto absorvedor, devido ao seu princípio de funcionamento, que
envolve a absorção do movimento oscilatório das ondas.
A figura 13 abaixo ilustra um conversor do tipo WaveStar:
Figura 13 - Wave Star Energy Converter [12]
Mecanismos Overtopping: Essa categoria de mecanismos trabalha com a
variação que as ondas provocam em sua energia potencial. Esses dispositivos forçam a
água a atravessar sua estrutura, um reservatório acima do nível do mar, e posteriormente
devolve a água ao oceano através de turbinas.
Exemplares dessa categoria de conversor de energia são o já citado Wave Dragon
e também o SSG wave energy converter. O último, um projeto piloto desenvolvido na
Dinamarca. A figura 14 abaixo ilustra o conversor SSG:
Figura 14 - SSG Wave Energy Converter [13]
19
A figura 15 abaixo traz um resumo de todas as classificações acima descritas:
Figura 15 - Resumo das classificações de conversor de energia das ondas. [3]
20
3. Estrutura do estudo
3.1. Escopo do estudo
O objetivo do presente estudo é entender o ciclo de vida dos materiais utilizados
na confecção do WEC (Wave Energy Converter) do Programa de Planejamento
Energético (PPE) da COPPE- UFRJ.
O entendimento do ciclo de vida dos materiais, passa pela aquisição da matéria-
prima, da produção dos componentes, seu uso e posterior descarte. Mantendo sempre
como objetivo principal a conciliação entre o perfeito funcionamento do dispositivo WEC
e o mínimo impacto ambiental em todo o ciclo de vida, acima elucidado, dos materiais de
seus componentes.
O propósito do estudo é selecionar os materiais com ciclo de vida menos
impactante ao meio ambiente e que atenda às exigências que um dispositivo como um
conversor de energia das ondas requisita.
Ao final do estudo, poderão ser observadas as vantagens e desvantagens de cada
material estudado.
3.2. Metodologia de estudo
Para que a análise do ciclo de vida dos materiais componentes seja adequada e
tenha credibilidade científica, o estudo se baseará na norma da Associação Brasileira de
Normas Técnicas (ABNT) NBR ISSO 14040.
A norma avalia o ciclo de vida dos materiais segundo a técnica ACV (Avaliação
do Ciclo de Vida).
Para que a técnica seja melhor compreendida pelos leitores desse estudo e por seus
futuros utilizadores, se faz necessário apresentar algumas definições inerentes ao uso da
norma, uma introdução ao seu contexto de produção e uso, algumas vantagens,
desvantagens e propósitos da norma.
A ACV é uma técnica em desenvolvimento, cujo propósito relaciona-se a
compreender e diminuir os impactos associados a produtos manufaturados e consumidos.
A ACV consiste da compilação de um sistema de entradas e saídas pertinentes de
um produto, avaliação dos impactos ambientais associados a essas entradas e saídas e
interpretação dos resultados de análises de inventário e avaliação de impacto em relação
21
aos objetivos de estudo. Ela estuda os impactos ambientais e os impactos potenciais ao
longo da vida do produto, desde a aquisição da matéria prima, passando por produção,
uso e deposição. As características ambientais que precisam ser consideradas são o uso
de recursos, a saúde humana e as consequências ecológicas.
A ACV pode ajudar na identificação de oportunidades para melhoria dos aspectos
ambientais dos produtos em vários pontos de seu ciclo de vida, na tomada de decisões na
indústria, organizações governamentais ou não governamentais ( por exemplo,
planejamento estratégico, projeto ou reprojeto de produtos e processos), na seleção de
indicadores pertinentes de desempenho ambiental (incluindo técnicas de medição), no
marketing (por exemplo, uma declaração ambiental, um programa de rotulagem
ecológica, ou uma declaração ambiental de produto).
Como todas as técnicas, a ACV também possui suas limitações, que serão agora
descritas:
- A natureza das escolhas e suposições feitas (estabelecimento das fronteiras do
sistema, seleção das fontes de dados e categorias de impacto) pode ser subjetiva.
- “Os modelos usados para análise de inventário ou para avaliar impactos
ambientais são limitados pelas suas suposições e podem não estar disponíveis para todos
os impactos potenciais ou aplicações.
- “Os resultados de estudos de ACV enfocando questões globais ou regionais
podem não ser apropriados para aplicações locais, isto é, as condições locais podem não
ser adequadamente representadas pelas condições globais ou regionais.”
- A existência de dados pertinentes e de qualidade, pode limitar a exatidão dos
estudos que utilizam a ACV. A falta de dimensões espaciais e temporais dos dados do
inventário usados para avaliar o impacto ambiental introduz incerteza na medição dos
impactos.
Conceitos importantes ao uso da norma:
- Entrada: “Material ou energia que entra em uma unidade de processo”
- Saída: “Material ou energia que deixa uma unidade de processo”.
- Sistema de produto: “Conjunto de unidades de processo, conectadas material e
energeticamente, que realiza uma ou mais funções definidas”
22
- Ciclo de vida: “Estágios sucessivos e encadeados de um sistema de produto,
desde a aquisição da matéria prima ou geração de recursos naturais à disposição final”
- “Avaliação do ciclo de vida (ACV): compilação e avaliação das entradas, das
saídas e dos impactos ambientais potenciais de um sistema de produto ao longo de seu
ciclo de vida”
- Resíduo: “Qualquer saída do sistema de produto que é disposta”.
- Inventário: Levantamento dos materiais necessários ao projeto.
A figura esquemática 16 abaixo ilustra a estrutura de avaliação do ciclo de vida
Figura 16 - Estrutura de avaliação do ciclo de vida
3.3. Estrutura lógica do estudo
Para melhor compreensão e acompanhamento do trabalho e seus resultados,
exponho aqui sua sequência lógica, de seu início, até seu relatório final.
1- Descrição e enumeração dos componentes de um WEC
I) Materiais empregados
II) Dimensões
III) Quantitativos
2- Simulação de emissões no uso de materiais alternativos
I) Análise de cenário com estrutura toda em aço
II) Análise da estrutura em HDPE
Inte
rpre
taçã
oDefinição de objetivo e escopo
Avaliação de impacto
-Desenvolvimento e melhoria do produto
-Planejamento estratégico
-Elaboração de políticas públicas
-Marketing
-Outras
Análise de Inventário
23
a. Placas da base feitas com chapas
b. Placas da base feitas com dutos
III) Caso de reciclagem de dutos de perfuração aplicados às placas da base
IV) Cenário de combinação de uso do HDPE e dos dutos de reuso
V) Análise comparativa dos cenários anteriores
3- Tratamento dos resultados obtidos e definições de situações ótimas de uso de cada
material
4- Conclusão e sugestões de próximos estudos.
4. Descrição e enumeração dos componentes de um WEC
O conversor de energia das ondas desenvolvido nesse projeto, têm como
componentes os seguintes sistemas e partes constituintes:
• Flutuador
• Sistema de deslizamento do corpo flutuante
• Sistema de transmissão de potência – PTO
• Base de transporte e fixação
• Estrutura de sustentação
Abordaremos todos eles acima citados.
Os itens descritivos abaixo são resultado de trabalhos anteriores de outros alunos
da Escola Politécnica da UFRJ. Abaixo chegaremos às geometrias características de seus
estudos e o total de material necessário para o conversor estudado.
4.1. Flutuador
Alexander Kataoka Ishikawa [14], em seu projeto de graduação em Engenharia
Naval e Oceânica pela Escola Politécnica da UFRJ, estudou possíveis modelos
geométricos dos flutuadores, tomando como base uma geometria piramidal, variando sua
base.
Dividiu seu estudo em duas etapas, primeiramente estudou a influência da
geometria da base piramidal, realizando testes para bases triangulares, quadrangulares,
pentagonais e hexagonais inscritas em uma circunferência de diâmetro de 8m.
24
Em um segundo momento, estudou as variações das dimensões das bases, testando
também o uso de chanfros ou não e variando o diâmetro nos quais as bases estavam
inscritas e a profundidade do calado.
Concluiu que o diâmetro de 12m era o mais eficiente para a captura da energia das
ondas, apesar de exibir menor potência capturada, quando comparada ao modelo de
diâmetro de 16m.
A figura 17 abaixo mostra os 4 modelos iniciais testados:
TRI QUA PENT HEX
Figura 17 - Vistas laterais (a), superiores (b), perspectiva (c) dos quatros modelos piramidais com
abas [14]
Com o andamento de seu estudo, em uma terceira etapa estudou a possibilidade
de uso de um flutuador cônico e um flutuador semiesférico, conforme figura 18 abaixo:
25
CONE S – ESF
(a)
(b)
(c)
Figura 18 - Vistas laterais (a), superiores (b), perspectiva (c) dos modelos cônico (CONE) e semi-
esférico (S-ESF) [14]
Dessa forma, com o subsídio do estudo realizado por Alexander [14], podemos
concluir que, para os períodos de onda de interesse, a geometria mais indicada é a esférica
e dentre os diâmetros testados, o mais eficiente e que apresenta maior fator de captura é
o de 12m.
Entretanto, o estudo de ciclo de vida e quantificação das emissões para a estrutura
do conversor será realizado para um flutuador de forma semiesférica e de diâmetro de
15m, pois esta é a geometria mais robusta indicada para o operador e quantificaremos a
situação de maior emissão atrelada possível.
4.2. Sistema de deslizamento do corpo flutuante
Por meio de uma estrutura de roletes, ilustrada na figura 19 abaixo, será
estabelecido o contato entre a estrutura de sustentação do conversor e o flutuador,
permitindo a movimentação vertical com o mínimo atrito possível.
26
No estudo do dimensionamento da estrutura, TORRES [15] ponderou as
deformações decorrentes dos efeitos de flexão, cisalhamento, vida em fadiga para a carga
crítica (carregamento de onda extrema) e compressão.
Figura 19 - Sistema de Roletes [15]
Conforme exibido na figura 19 acima, para cada contato no rolete, a estrutura
possui uma parte superior e inferior, que são exibidos nas figuras 20 e 21 abaixo,
composta por dois tubos encurvados lado a lado e com chapas de reforço. Os roletes são
montados em paralelo com os tubos da estrutura e possui um ângulo de abertura de 65°
de modo a manter a distância entre o flutuador e a torre. Os tubos que utilizaremos nessa
estrutura serão reutilizados de dutos de perfuração, devido as propriedades do material, o
aço AISI 4145H.
Figura 20 - Partes superior e inferior da estrutura [15]
27
Figura 21 - Partes superior e inferior da estrutura [15]
As figuras 22 e 23 abaixo exemplificam o modelo de rolete e de conector que
serão utilizados. O conector foi projetado especificamente para essa aplicação e também
é feito de aço AISI 4145H. O rolete, por sua vez, é composto de um eixo, um tubo, dois
rolamentos e dois selos mecânicos para proteção dos rolamentos.
Figura 22 - Modelo de Rolete [15]
Figura 23 - Modelo do Conector [15]
4.3. Sistema de transmissão de potência – PTO
PTO é a sigla para power-take-off, que é o sistema gerador de potência responsável
pela conversão da potência recebida pela energia das ondas em energia elétrica.
TURCI [1] em seu projeto de graduação se prontificou a dimensionar um
dispositivo mecânico composto por pinhão – cremalheira, acoplamento unidirecional,
caixa de engrenagens, volante de inércia e gerador elétrico associado a um controlador de
potência.
28
Seu projeto levou em consideração a operação do conversor sob condições
extremas (tempestades e mares revoltos), grandes esforços atuantes como o vento e a
oscilação das ondas, perdas pela movimentação do eixo e por eficiência e fatores de
segurança.
A figura 24 abaixo ilustra o funcionamento do sistema proposto, na qual as ondas
incidentes movimentam a cremalheira na direção vertical, promovendo a rotação do
pinhão que está conectado à caixa multiplicadora de velocidade para transmitir o torque
exigido pelo acionador do gerador, completando a conversão em energia elétrica.
Figura 24 - Sistema de transmissão de potência (PTO) [1]
4.4. Base de transporte e fixação
Tratando-se de um conversor de energia das ondas que opera no leito marinho e
está sujeito aos carregamentos provenientes da energia incidente das ondas e o desgaste
natural causado pelo meio inserido e pelo uso, é de extrema importância que seja
projetado uma base de fixação do dispositivo no leito marinho.
A base deve facilitar a instalação e a manutenção, bem como também o transporte,
de forma a minimizar esforços logísticos e influências e perturbações no ecossistema
marítimo.
Atendendo ao princípio de Arquimedes, garantindo a flutuação do sistema com o
menor peso, SILVA [16] realizou estudos de equilíbrio e estabilidade para otimizar o
dimensionamento da estrutura.
29
A figura 25 abaixo ilustra a o modelo de base proposto e suas principais
dimensões:
Figura 25 - A) Modelo Proposto; B) Dimensões do Flutuador e da torre treliçada; C)Dimensões da
Base; Dimensões da Placa de Base [16]
A estrutura final completa proposta por SILVA [16], possui mais de 84 toneladas
em aço e é exibida na figura 26 abaixo. Possui a vantagem de poder ser construída e
montada em terra firme ou estaleiro e ser rebocada até o local de instalação. Um processo
de inundação dos dutos que compõem os flutuadores auxiliares permite que a estrutura
afunde até que ela ocupe o lugar exato onde ela estará fixa ao leito marinho. De forma
inversa, permite um rápido descomissionamento completo da estrutura ao se injetar ar
nos mesmos dutos da base, causando sua emersão.
Figura 26 - Estrutura Final Completa da Base [16]
30
Pires [17], dando prosseguimento ao estudo acerca da base de transporte e fixação,
realizou uma avaliação da dinâmica da estrutura durante o processo de transporte e
instalação do dispositivo. Além disso, elaborou uma curva de resistência ao avanço,
visando estudos futuros para um sistema de autopropulsão e avaliou a viabilidade de
ancoragem por gravidade.
De modo a obter a as forças ambientais de 3 sítios (Pecém, Imbituba e Açú), foram
utilizados 2 métodos, um computacional e outro analítico. Nesse estudo algumas
adaptações se mostraram necessárias, como substituições de componentes retangulares
por cilíndricos, resultando num peso final da estrutura de aproximadamente 140
toneladas.
4.5. Estrutura de sustentação
O movimento que se deseja que o flutuador tenha, até para diminuição dos graus
de liberdade envolvidos e facilidade de modelagem, é apenas o vertical, no interior de
uma torre de sustentação. A torre é uma estrutura tubular, cujas pernas servem como
gabarito para que as estacas sejam cravadas e também servem como contraventamento
lateral das mesmas.
O dimensionamento da estrutura, foi feito de forma semelhante à uma plataforma
offshore, por GOMES [18] em seu projeto. Nesse processo, utilizou-se de análises e
resultados de acordo com as normas API RP 2A – WSD e DNV 30.5. A estrutura foi
projetada para resistir à todas as solicitações e diferentes condições de contorno:
carregamentos dinâmicos induzidos pelo conversor e hidrodinâmicos induzidos pela ação
das ondas e da natureza que cercará o conversor.
Além de resistir a todos os esforços externos das ondas e dos carregamentos
hidrodinâmicos induzidos pelo conversor, a estrutura também deve ser capaz de resistir
ao próprio peso. O conversor do tipo point absorber, será instalado na região nearshore,
classificada como região de águas rasas e de profundidade de até 25 metros. Nessas
condições, a ancoragem é normalmente feita através de uma base inercial, fixando o
dispositivo ao leito marinho.
A estrutura é classificada como pórtico espacial. Como não há restrições nas
posições dos nós, ela é o tipo mais geral de estrutura reticulada. A motivação para essa
estrutura, se explica pelo fato de que seus membros individuais podem suportar forças
31
axiais internas, binários torsores e binários fletores em ambas as direções principais da
seção transversal.
Levando em consideração a profundidade de operação, dimensões do flutuador e
a altura reservada para a praça de máquinas foi dimensionado o pórtico. A estrutura,
pensada para uma instalação em uma profundidade de 12 metros, possui base quadrada,
terá 18 metros de altura e largura de 8 metros.
A praça de máquinas (convés) terá 2 metros de altura, a fim de abrigar todos os
equipamentos que retirarão a energia do absorvedor, e o vão central, onde o flutuador
oscila, terá 8 metros, altura ideal para enfrentamento das possíveis variações de maré e
de onda. A Figura 27 abaixo, exemplifica os componentes da estrutura descrita:
Figura 27 - (I) vista isométrica da estrutura; (II) vista frontal da estrutura [17]
Após o trabalho de GOMES [18], decidiu-se pela utilização de uma estrutura
tubular treliçada. As pernas verticais principais de 10 polegadas de diâmetro e os grampos
e contraventos de 6 polegadas garantem um fator de segurança de flambagem de 8,3, fator
de segurança das treliças de 3,04 e uma flexa máxima de 5,35 mm na deflexão da
tubulação do vão central.
32
5. Desenvolvimento de cenários de escolha de materiais
Para análise das emissões relacionadas à operação do conversor de energia das
ondas, diferentes cenários de uso do aço e do HDPE foram pensados para atender ao
projeto do conversor.
Os aços de dutos de perfuração, reconhecidos por suas propriedades mecânicas
que o credenciam a assumir função estrutural em uma estrutura como a proposta, além
das vantajosas propriedades mecânicas que adquirem pela sua nobre utilização em
perfurações de dutos de petróleo, também podem ter a vantagem de serem adquiridos por
um preço abaixo do valor de mercado.
Segundo [21], em sua análise da Lei Federal nº 9.636 que trata de alienações de
bens públicos, o processo de alienação de bens de empresas ou órgãos públicos deve
necessariamente ser precedido de processo de avaliação, licitação e leilão de livre
concorrência. Essas são as condições para todos os interessados em bens da União, salvo
a exceção de outras empresas e órgãos públicos, de qualquer esfera da administração
pública. Por isso, a lei indica a possibilidade de aquisição para o projeto de um duto com
propriedades mecânicas nobres, por um preço subsidiado ou por doação, já que a
Universidade Federal do Rio de Janeiro também é um órgão da União.
Essa indicação da lei mostra algumas ineficiências que empresas públicas como a
Petrobrás possuem, pois não conseguem dar adequada vasão aos seus ativos de maneira
rápida e mais eficiente. A guarda de tais ativos até que toda a burocracia prevista na lei
seja aprovada, gera custos de guarda dos ativos, custos com mão-de-obra com
armazenamento dos mesmos e custos com estocagem, reduzindo sua eficiência,
aumentando seus custos e seu preço final. Dessa forma, o projeto de conversor de energia
das ondas pode também contribuir para a melhoria na eficiência dos processos de outras
esferas do governo brasileiro.
HPDE é a sigla vinda da língua inglesa para High Density Polyethylene. Sua
correspondente no Português é a sigla PEAD que significa Polietileno de Alta Densidade.
O HDPE já tem seu uso direcionado para fins estruturais estudado e praticado no
setor de construção civil e também oferece propriedades hidrodinâmicas e viscosas
favoráveis ao uso em ambientes marinhos, pois inibe a presença de incrustações, o que
reduz a probabilidade de falhas por fadiga e reduzem drasticamente a necessidade de
33
manutenção e monitoramento recorrente, além de não requererem necessidade constante
de pintura, etc.
O polietileno é um polímero resultante da combinação de vários monômeros
etilenos, que juntos formam o polietileno. Sua fórmula química genérica é a (C2H4)n, que
exibe o etileno como monômero formador (C2H4) e as n repetições que formam o
polímero.
Por sua vez, o etileno é um hidrocarboneto da família das olefinas. Ele é um gás
incolor, possui um odor etéreo levemente adocicado que liquefaz a -103°C e solidifica a
-169°. É um dos compostos químicos de maior utilidade no setor químico industrial
O etileno pode ser obtido de diversas formas, seja pela destilação seca da hulha,
desidrogenação do etano, desidratação do álcool etílico e por fim, pelo craqueamento do
petróleo.
Esse último método de obtenção é o que nos desperta maior interesse, pois sendo
o etano um subproduto do petróleo, com o uso de HDPE na estrutura do WEC, se dará
um uso a um produto derivado da exploração do petróleo, que anteriormente, poderia ter
pouca serventia.
A figura explicativa 28 abaixo mostra os produtos que podem ser obtidos a partir
da exploração do óleo bruto cru que serve de matéria prima para a exploração de petróleo.
34
Figura 28 - Subprodutos do petróleo bruto [24]
Dentre os diversos subprodutos possíveis de serem extraídos da exploração do
petróleo bruto, acima exibidos, voltamos nossa concentração para o número 4 no desenho
esquemático acima, os “gases de carbono”.
Entre os gases que são extraídos da coluna de destilação em temperaturas
próximas a 20° C, está o etileno, monômero do polietileno, polímero foco de nosso estudo
para uso em elementos estruturais.
A 1 abaixo exemplifica a sintetização do polietileno, a partir do etano:
Pd
CH3-CH3 (g) + calor → CH2=CH2 (g) + H2 (g) (Equação 1)
Na equação 1 observamos o Paládio (Pd) atuando como catalisador da reação e
percebemos que a formação de gás hidrogênio nos produtos fez com que o etano perdesse
dois átomos de hidrogênio e formasse uma ligação dupla e formando o etileno, que é o
monômero originador do polietileno.
Com o subsídio de calor e catalisadores, é possível transformar o etileno em dois
radicais de carbono com um elétron desemparelhado .C, tornando-o muito reativo. O
35
radical livre, de forma a diminuir sua entropia, se liga a outros carbonos radicais e vão
formando as extensas cadeias poliméricas que originam o polietileno.
O polietileno foi primeiro sintetizado pelo químico alemão Hans von Pechmann,
preparado por acidente em 1898. A primeira produção industrial do polímero data de 1933
por Eric Fawcett e Reginald Gibson na Inglaterra [24].
Segundo [25], a linearidade das cadeias e consequentemente a maior densidade
do PEAD, geram uma orientação, empacotamento e alinhamento das cadeias de carbono
mais eficientes; nessa situação as forças intermoleculares (Van der Walls) agem de
maneira mais intensa, causando por consequência um grau de cristalinidade maior do que
no caso do Polietileno de Baixa Densidade (PEBD).
A maior cristalinidade incorre em temperatura de fusão mais elevada e
consequente maior resistência a temperaturas.
A tabela 9 abaixo, adaptada de [25], resume as características mecânicas e
elétricas do polietileno de alta densidade, sendo as últimas pouco afetadas pelo peso
molecular do polímero.
Por outro lado, as propriedades mecânicas são significativamente influenciadas
pelo peso molecular, teor de ramificações da estrutura morfológica e da orientação.
Tabela 1 - Características mecânicas do HDPE [26]
Propriedades Altamente linear Baixo grau de ramificação
Densidade, g/cm3 0,962 - 0,968 0,950 - 0,960
Temperatura de fusão, °C 128 - 135 125-132
Ponto de escoamento, Mpa 28 - 40 25 - 35
Resistência à tração, Mpa 25 - 45 20 - 40
Alongamento
No ponto de escoamento 5 - 8 10 - 12
No ponto de ruptura 50 - 900 50 - 1200
Dureza Brinell, MPa 60 - 70 50 - 60
Resistência ao Cisalhamento 20 - 38 20 - 36
O peso molecular tem influência sobre as propriedades do PEAD principalmente
devido ao seu efeito na cinética de cristalização, cristalinidade final e ao caráter
morfológico da amostra. O PEAD de baixo peso molecular é frágil e quebra sob baixas
deformações sem desenvolvimento de “pescoço”, o que é uma característica pouco
36
desejada, pois restringe em muito as possibilidades de diagnóstico da falha. Tratando-se
do peso molecular do PEAD comercial, entre, 80.000 e 120.000, sempre ocorre formação
de “pescoço”.
Baixo peso molecular também implica em baixa resistência ao impacto. Amostras
com menor peso são frágeis e a resistência para pesos moleculares mais altos é bem maior.
Materiais fabricados com PEAD altamente orientados são também
aproximadamente 10 vezes mais resistentes do que os fabricados a partir do polímero não
orientado, haja vista que a orientação aumenta o grau de empacotamento das cadeias de
carbono e por consequência a rigidez do polímero.
Em geral, o PEAD exibe baixa reatividade química, característica desejável para
que se evite despesas elevadas com manutenção das estruturas e é também estável
quimicamente em soluções alcalinas e salinas, independente do pH. Em temperatura
ambiente, PEAD não é solúvel em nenhum solvente conhecido e é relativamente
resistente ao calor.
Entretanto, sob elevadas temperaturas, o oxigênio ambiente ataca a
macromolécula, reduzindo o peso molecular do PEAD. Por outro lado, sob baixas
temperaturas o Polietileno de baixa densidade pode sofrer degradação foto-oxidativa.
O Polietileno de alta densidade é utilizado em diversas aplicações variando o uso
de acordo com o processo de fabricação. Por processo de injeção algumas aplicações são
a confecção de baldes e bacias, banheiras infantis e brinquedos. Pelo processo de
moldagem por sopro, destacam-se seus usos em bombonas, tanques e tambores,
embalagens, entre outros. Já pelo método de extrusão, seus usos mais consagrados são
em isolamento de fios eletrônicos, sacos para congelados, revestimento de tubulações
metálicas, polidutos, tubos para redes de saneamento e de distribuição de gás, emissários
de efluentes sanitários e químicos, dutos para mineração, entre outros.
Comparativamente ao Polietileno de Baixa Densidade (PEBD), o PEAD é de
forma geral mais duro e resistente, enquanto que o PEBD é mais flexível e transparente.
37
A tabela 10 abaixo mostra as principais diferenças entre o PEAD e o PEBD:
Tabela 2 - Principais características do PEAD e PEBD [26]
PEBD PEAD
Tipo de polimerização Radicais Livres Coordenação
Pressão de polimerização, atm Alta 1000-3000 Baixa 1-30
Temperatura Reacional, °C Alta 100-300 Baixa 50-100
Tipo de cadeia Ramificada Linear
Densidade, g/cm3 Baixa 0,91-0,94 Alta 0,94-0,97
Cristalinidade, % Baixa 50-70 Alta Até 95
Tm, °C Baixa 110-125 Alta 130-135
O Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (PEUAPM ou UHMWPE)
Segundo [25], o processo de polimerização do PEUAPM emprega um catalizador
Zieger Natta similar ao utilizado na fabricação do PEAD convencional. O processo pode
ser feito em batelada ou de maneira contínua.
Em relação à estrutura química, o PEUAPM e o PEAD são muito parecidos, sendo
ambos polímeros de cadeia essencialmente linear. O peso molecular do PEAD raramente
ultrapassa 500.000, enquanto que o peso molecular do PEUAPM atinge valores de 3 x
106, em média.
O PEUAPM é um polietileno de alta densidade (0,93-0,94 g/cm3), branco, opaco,
com uma temperatura de transição vítrea (Tg) que varia entre -100°C e -125°C e uma
temperatura de fusão (Tm) de 135°C.
A longa cadeia molecular, a alta densidade e a ausência de ramificações em sua
estrutura conferem ao PEUAPM propriedades tais como: maior resistência à abrasão
comparativamente aos outros termoplásticos, boa resistência à corrosão, alta resistência
à fadiga cíclica, fratura por impacto, tensofissuramento e química, além de alta dureza e
baixo coeficiente de atrito.
A tabela 11 abaixo compara as propriedades do PEUAPM com a de outros
polietilenos:
38
Tabela 3 - PEUAPM e outros polietilenos. Adaptado de [26]
Propriedades Densidade dos PE’s Peso Molecular Ultra
Elevado
Baixa Média Alta (PEUAPM)
Físicas
Densidade (g/cm3) 0,910-
0,925
0,926-
0,940
0,941-
0,965 0,928-0,941
Absorção de água 24h, 3mm de
espessura (%) <0,01 <0,01 <0,01 <0,01
Mecânicas
Resistência à tração (102 kgf/cm2) 0,4-1,4 0,8-2,4 2,1-3,8 2,8-4,2
Alongamento na ruptura (%) 90/800 50/600 20/1000 200/500
Módulo de flexão (104 kgf/cm2) 0,06-0,5 0,5-1 0,7-1,5 0,7-1,2
Resistência ao impacto (kg) Não
quebra - - Não quebra
Dureza Rockwell R 10 15 65 67
O PEUAPM é resistente à uma diversa gama de produtos químicos, tais como
ácidos, álcalis, solventes, combustíveis, detergentes e oxidantes). Também é um material
quase que totalmente inerte, o que é importante em usos em ambientes agressivos ou
corrosivos sob temperaturas moderadas.
O peso molecular extremamente elevado do PEUAPM proporciona a esse
polímero uma viscosidade no estado fundido tão alta que seu índice de fluidez, medido a
190 °C com uma carga de 21,6 kg, se aproxima de zero. Desse modo, seu processamento
pelos métodos convencionais de sopro, injeção ou extrusão não é possível.
Em seu caso, o método utilizado é o da moldagem por compressão ou variações
dele como prensagem e extrusão por pistão. Em ambos os casos os produtos resultantes
são produtos semiacabados, em formas de chapas ou tarugos que precisarão
posteriormente passar por processos de usinagem.
As propriedades mecânicas e de resistência mencionados na tabela e texto acima,
permitem o adequado uso do PEUAPM nas seguintes aplicações:
• Mineração: revestimentos, raspadores, misturadores, mancais e tubos.
• Indústria Química: tubos, bombas, válvulas, filtros, gaxetas, misturadores,
revestimentos de tanques metálicos e de concreto.
• Indústria Alimentícia e de Bebidas: guias para linhas de embalagem,
transportadores, roletes, bicos de enchimento, bombas e cepos de corte.
39
• Papel e celulose: tampas de caixa de sucção, réguas e perfis.
• Indústria Têxtil: tacos, guias, mancais e redutores de ruído.
• Outras aplicações: galvanoplastia, transportadores industriais, artigos
esportivos, ortopédicos e cirúrgicos.
Usos consagrados do polietileno
De modo a equacionar e reduzir a emissão de gases de efeito estufa em sua cadeia
produtiva, o setor de construção civil, por exemplo, já estuda a utilização do HDPE
reciclado como elemento estrutural para habitações sociais.
Graças às suas boas propriedades mecânicas, e devido as altas emissões na
produção de cimento e outras matérias-primas chaves na construção civil, o HDPE se
apresenta como uma opção mais limpa de matéria prima.
Além do uso no setor de construção civil, o HDPE também já é utilizado no setor
naval em barcos de pesca e da marinha brasileira, holandesa e de outras nacionalidades.
Devido ao seu menor coeficiente de atrito e rugosidade, o polietileno de alta densidade é
um material muito recomendado em usos marítimos, já que não acumula mexilhões,
crostas, conchas, algas e outros organismos que acumulam em aços, por exemplo,
diminuindo seu peso acumulado ao longo do uso.
Tais características são de suma importância para o uso em específico do WEC
projetado, já que com menor peso, menores também serão os esforços de sustentação que
a estrutura deverá resistir para vencer seu peso. Outra característica importante usada nos
barcos de HDPE é o não enferrujamento da estrutura, que evita seu desgaste prematuro e
aumenta a quantidade de tempo entre uma manutenção preventiva e outra.
As figuras 29,30 e 31 abaixo ilustram alguns dos barcos utilizados para pesca ou
pela marinha, feitos de HDPE:
Figura 29 - [26]
40
Figura 30 - [27]
Figura 31 - [28]
Estudo do uso do HDPE reciclado em elementos estruturais
Algumas das características positivas do HDPE são baixo peso específico,
resiliência, resistência à deterioração por decomposição e ataque de micro-organismos,
transparência, facilidade de processo e baixo custo de manutenção. Algumas delas já
mencionadas anteriormente. Vimos também os usos que já são feitos do HDPE.
Entretanto, o maior interesse desse projeto no uso do polímero é seu uso na função
de elemento estrutural. Faz-se então necessário a análise de um estudo que teste o HDPE
como elemento estrutural e determine se o mesmo é adequado para tal uso.
Candian [29], estudou as propriedades mecânicas do polietileno reciclado,
constituído basicamente de HDPE. Seus objetivos foram a caracterização do material
reciclado por meio de ensaios termoanalíticos e avaliar as propriedades mecânicas do
material por meio de testes de tração, compressão, flexão e impacto Izod, de forma a
indicar a viabilidade da utilização do material na produção de elementos estruturais.
No estudo de materiais poliméricos, é fator importante a ser considerado a faixa
de temperaturas onde ocorrem as transições do material, sejam elas a transição vítrea ou
de fusão cristalina. Já que as propriedades mecânicas dos polímeros são muito ligadas à
41
sua cadeia molecular e as mesmas, por sua vez, também possuem estrita ligação com as
propriedades térmicas dos polímeros.
Segundo Candian [29], a temperatura de fusão cristalina (TM), também conhecida
por transição termodinâmica de primeira ordem, é definida como a média das
temperaturas onde desaparecem as regiões cristalinas, afetando propriedades como o
volume específico e a entalpia, por exemplo. Já a temperatura de transição vítrea (TG),
também conhecida como transição termodinâmica de segunda ordem, caracteriza-se pela
ocorrência em regiões amorfas. Esta última temperatura está relacionada a temperatura
limite de operação dos polímeros e afeta propriedades como módulo de elasticidade,
coeficiente de expansão térmica, calor específico, entre outros.
A tabela 27 abaixo traz, para alguns materiais plásticos, as temperaturas
anteriormente conceituadas:
Tabela 4 - Temperaturas de transição de plásticos [30]
Polímeros TM (C°) TG (C°)
Politetrafluoretileno 327 -126
Polidimetilsiloxano -54 -123
Polietileno de baixa densidade 110 -120
Polietileno de alta densidade 137 -120
Polipropileno 168 -10
Policloreto de vinila - 87
Analisando as temperaturas de transição do polietileno de alta densidade,
observamos que em condições ambientes, suas temperaturas de operação estão distantes
das temperaturas de transição. Mesmo assim, é importante que a temperatura seja uma
das variáveis monitorada e controlada no projeto do conversor, de modo a verificar se
panes mecânicas ou mesmo o próprio funcionamento do conversor não poderia elevar as
temperaturas na estrutura, de forma atingir a temperatura de fusão cristalina. Caso isso
ocorra, um sistema de refrigeração deve ser projetado, ou essa pode ser uma condição
proibitiva ao uso do HDPE como elemento estrutural do conversor.
42
Segundo Candian [29], o uso do HDPE como elemento estrutural também pode
ser combinado com o uso de fibras como um aditivo e reforço. As fibras apresentam
algumas características interessantes como maior tenacidade, maior módulo de
elasticidade, maior resistência ao impacto, boa estabilidade estrutural, bom
comportamento contra a fadiga, facilidade de reparação, entre outras.
Dessa forma, o uso de fibras como a fibra de vidro, de carbono, de aramida, de
algodão, sisal, coco, nylon, poliéster e outras, podem ser utilizadas de modo a melhoras
as propriedades mecânicas da matriz polimérica e transferir esforços dos polímeros para
as fibras, melhorando as propriedades da estrutura.
Além das fibras, os polímeros também podem ser utilizados com aditivos.
Aditivos são compostos químicos utilizados junto aos plásticos com o objetivo de alterar
suas propriedades. Exemplos de aditivos são colorantes, estabilizantes, retardadores de
chama, lubrificantes, entre outros.
A correta escolha, porém, de qual aditivo e de qual fibra é melhor recomendada
para cada uso, requer maior estudo na área química.
Em seu estudo, Candian [29] realizou testes de modo a averiguar a composição
dos materiais poliméricos estudados e também de modo a verificar suas propriedades
mecânicas, além de testes que buscavam indicar a existência ou não de contaminação dos
polímeros. Seu estudo fez uso de 4 amostras, uma azul, uma vermelha, outra marrom e
por última uma verde. Seus testes serão em seguida descritos, de modo a enumerar a
sequência de procedimentos que se deve realizar, quando do uso de HDPE reciclado.
Através do Ensaio de Beilstein não foi detectado nenhum indício de contaminação
em nenhuma das amostras, já que a coloração da chama do ensaio permaneceu amarela.
A figura 32 abaixo exemplifica a realização do Ensaio de Beilstein:
43
Figura 32 - Ensaio de Beilstein negativo para identificação de halogênios [30]
Outro teste realizado por Candian [29], foi o de calorimetria exploratória
diferencial, o DSC. Para as amostras, foram obtidos gráficos da evolução da temperatura
com o fornecimento de fluxo de calor. As curvas mostraram que ocorreu apenas um pico
de fusão, que variou entre 129,82°C para a amostra marrom e 135,49°C para a amostra
branca. A existência de apenas um pico de fusão é o indício desejado da inexistência de
possíveis contaminantes como o polipropileno e o PET.
Posteriormente Candian [29] realizou o teste de termogravimetria para
determinação do teor de resíduos na amostra. Seu estudo optou por estudar as amostras
branca e verde e mostrou que as amostras por ela selecionadas tinham baixo teor de
resíduos, que poderiam corresponder a aditivos lubrificantes ou pigmentações utilizadas.
Nenhuma das possibilidades de resíduos implica em maiores preocupações com a
composição com as amostras.
Para descobrir empiricamente as propriedades mecânicas dos materiais, Candian
[29] realizou testes de tração, compressão, flexão e resistência ao impacto. As tabelas a
seguir exemplificam os resultados obtidos por [29] e alguns valores conhecidos para o
HDPE puro.
44
Tabela 5 - Ensaios de tração [30]
*Tensão máxima ocorreu no escoamento
**Ensaio interrompido por atingir o final do cursor da máquina
Tabela 6 - Propriedades de tração para o HDPE puro [30]
*Fonte: www.incomplast.com.br/f_poliet.htm. [31]
Tabela 7 - propriedades de compressão de um HDPE [30]
*Tensão máxima
Propriedades PEAD branco PEAD verde
Resistência ao escoamento (MPa)* 21,85 22,24
Deformação no escoamento (mm/mm) 0,168 0,17
Tensão na ruptura (MPa) 14.,5** 15,36
Deformação na ruptura (mm/mm) >6,54 4,38
Alongamento na ruptura (%) 654 438
Módulo de elasticidade tangente (MPa) 598 547
Propriedades PEAD puro
Resistência ao escoamento (MPa) em placa 28
Tensão na ruptura em placa (MPa) 29
Alongamento na ruptura em placa (%) 860
Módulo de elasticidade tangente (MPa)* 900
Propriedades PEAD branco PEAD verde
Resistência (MPa)* 21,85 22,24
Tensão no escoamento (MPa) 0,168 0,17
Deformação no escoamento (mm/mm) >6,54 4,38
Tensão de escoamento deslocada (Mpa) 654 438
Módulo de elasticidade tangente (MPa) 598 547
45
Tabela 8 - propriedades de flexão [30]
Tabela 9 - propriedades de flexão de um HDPE puro [30]
Tabela 10 - propriedades de impacto de um HDPE [30]
Tabela 11 - propriedades de impacto de um HDPE puro [30]
Nos ensaios conduzidos por Candian [29], fica claro que as propriedades das
amostras de HDPE reciclado podem ser um pouco distintas daquelas do HDPE puro,
conforme as comparações feitas acima. O que fica de mais importante são os
procedimentos adotados quando do uso de amostras de HDPE reciclado, de forma a
determinar sua adequação ao uso do HDPE e também da existência ou não de
contaminantes.
Análise de cenários
Os cenários que serão analisados, variarão basicamente de duas maneiras:
utilizando as placas da base em forma de dutos ou em formas de chapas Variações à essas
configurações são obtidas pela mudança do material estudado, aço ou HDPE
Propriedades PEAD puro
Módulo de elasticidade secante a 2% (em placa) (MPa) 1040
Resistência correspondente a 5% de deformação (MPa) 14-20
Propriedades PEAD branco PEAD verde
Resistência (J/m) 137,3 137,2
Resistência (kJ/m2) 13,2 12,9
Propriedades PEAD puro
Resistência (J/m) 140
Propriedades PEAD branco PEAD verde
Força máxima correspondente a 5% de deformação (N) 48 72
Módulo de elasticidade tangente (MPa) 805 719
Resistência correspondente a 5% de deformação (MPa) 17,64 18,73
46
Para que a análise da emissão de CO2 seja feita para os cenários propostos, faz-se
necessário o levantamento do inventário das duas estruturas estudadas, aquela com placas
da base em chapa e também usando dutos de perfuração que formam a mesma geometria.
As tabelas de 20 a 25 a seguir mostram o inventário necessário para cada parte da estrutura
em aço, somando o peso necessário desse material na estrutura, enquanto que as tabelas
de 26 a 31 para o HDPE, resumem a necessidade em peso do polímero.
Tabela 12 - Necessidade de aço na Torre
Tubulações da
Torre
Quantida
de
Diâmetro externo
(mm)
Diâmetro interno
(mm)
Comprimento
(m)
kg/
m
Peso
(t)
Base 1 4 168,3 154,1 16,0 28,2 1,8
Base 2 4 168,3 154,1 16,0 28,2 1,8
Base 3 4 168,3 154,1 16,0 28,2 1,8
Base 4 4 168,3 154,1 16,0 28,2 1,8
Base 5 4 168,3 154,1 16,0 28,2 1,8
Vigas Verticais 4 168,3 154,1 24,0 28,2 2,7
Vigas Diagonais 1 8 168,3 154,1 16,7 28,2 3,8
Vigas Diagonais 2 8 168,3 154,1 16,7 28,2 3,8
Vigas Diagonais 3 8 168,3 154,1 16,7 28,2 3,8
Total 23,1
Tabela 13 - Necessidade de aço na base com chapas
Tubulações da
Base Quantidade
Diâmetro externo
(mm)
Diâmetro interno
(mm)
Comprimento
(m) kg/m
Peso
(t)
Base maior 4 508,0 489,0 94,7 117,0 44,3
Base menor 4 508,0 489,0 78,9 117,0 36,9
Placas da Base -
chapas 4 323,8 307,1 23,7 65,1 6,2
Viga Diagonal* 2 33,5 149,2 10,0
Total 97,3
47
Tabela 14 - Necessidade de aço na base com dutos
Tubulações da
Base Quantidade
Diâmetro externo
(mm)
Diâmetro interno
(mm)
Comprimento
(m) kg/m
Peso
(t)
Base maior 4 508,0 489,0 94,7 117,0 44,3
Base menor 4 508,0 489,0 78,9 117,0 36,9
Placas da Base -
dutos 208 323,8 307,1 23,7 41,2 202,8
Viga Diagonal* 2 33,5 149,2 10,0
Total 293,9
Tabela 15 - Necessidade de aço nas estruturas extras
Estruturas Extras Quantidade Área – m2 (D=15m) Esp(m) Peso (t)
Flutuador* 1 1413,7 0,01 88,8
Gerador elétrico** 1 0,5
Total 89,3
Tabela 16 - Necessidade total de aço placa da base em chapa
Parte Peso (t)
Torre 23,1
Base 97,3
Estruturas extras 89,3
Total 209,7
Tabela 17 - Necessidade total de aço placa da base em dutos
Parte Peso (t)
Torre 23,1
Base 293,9
Estruturas extras 89,3
Total 406,3
48
Tabela 18 - Necessidade de HDPE na Torre
Tubulações da
Torre Quantidade
Diâmetro externo
(mm)
Diâmetro interno
(mm)
Comprimento
(m)
Peso
(t)
Base 1 4 168,3 154,1 16,0 0,2
Base 2 4 168,3 154,1 16,0 0,2
Base 3 4 168,3 154,1 16,0 0,2
Base 4 4 168,3 154,1 16,0 0,2
Base 5 4 168,3 154,1 16,0 0,2
Vigas Verticais* 4 168,3 154,1 24,0 0,3
Vigas Diagonais 1 8 168,3 154,1 16,7 0,4
Vigas Diagonais 2 8 168,3 154,1 16,7 0,4
Vigas Diagonais 3 8 168,3 154,1 16,7 0,4
Total 2,5
Tabela 19 - Necessidade de HDPE na base de placa em chapa
Tubulações da Base Quantidade Diâmetro externo
(mm)
Diâmetro interno
(mm)
Comprimento
(m)
Peso
(t)
Base maior 4 508,0 489,0 94,7 1,0
Base menor 4 508,0 489,0 78,9 0,8
Placas da Base
chapa 4 323,8 307,1 23,7 0,3
Viga Diagonal 2 33,5 0,2
Total 2,3
Tabela 20 - Necessidade de HDPE na base de placa em dutos
Tubulações da
Base Quantidade
Diâmetro externo
(mm)
Diâmetro interno
(mm)
Comprimento
(m)
Peso
(t)
Base maior 4 508,0 489,0 94,7 1
Base menor 4 508,0 489,0 78,9 0,8
Placas da Base
dutos 208 323,8 307,1 23,7 13,1
Viga Diagonal 2 33,5 0,2
Total 15,1
49
Tabela 21 - Necessidade de HDPE nas estruturas extras
Estruturas Extras Quantidade Área – m2 (D=15m) Esp(m) Peso (t)
Flutuador* 1 1413,7 0,01 13,4
Gerador elétrico** 1 0,5
Total 13,9
Tabela 22 - Necessidade total de HDPE placa da base em chapa
Parte Peso (t)
Torre 2,5
Base 2,3
Estruturas extras 13,9
Total 18,7
Tabela 23 - Necessidade total de HDPE placa em dutos
Parte Peso (t)
Torre 2,5
Base 15,1
Estruturas extras 13,9
Total 31,5
5.1. Compra de todo inventário em aço
O cenário que envolve a compra de todo o material necessário em aço, implica na
responsabilização dos operadores do conversor de energia das ondas por todas as etapas
inerentes à análise do ciclo de vida do conversor, sejam elas a de extração, transporte e
produção da matéria prima, processamento da matéria prima e produção dos dutos e
chapas necessários, uso no conversor e posterior descarte e tratamento. Além destas
etapas de emissão de CO2, etapas de menor relevância, porém existentes, como etapas de
soldagem, emissões com cabeamentos necessários, entre outras, são aqui mencionadas de
modo a não serem esquecidas, porém não serão computadas pois não possuem relevância
considerável frente ao total de emissões das demais etapas aqui analisadas.
50
Dito isso, o cenário discutido inicialmente envolve todos os custos possíveis de
extração, produção, transporte de matéria prima, produção dos dutos e chapas e transporte
dos mesmos ao sítio de operação e posterior descarte.
Para a hipótese aqui analisada, o trabalho de Costa [31] recomenda que, quando
os dados sobre consumo de energéticos, distância percorrida pelo transporte ou reações
químicas for limitados ou inexistentes, se utilize a equação 2 abaixo:
EmissõesAC1,2,j = QTj x FPj x FEPj (Equação 2) [31]
Onde:
QTj = quantidade de produto j necessária na obra, em toneladas.
FPj = fator de perda do produto j, adimensional e tabelado.
FEPj = fator de emissão de CO2 devido a utilização do produto j (aço) em
edificações, em toneladas de CO2 / tonelada de aço, tabelado.
A tabela 32 abaixo, resume os valores para o fator de perda do aço, o FPj na
equação utilizada. (Valores em %)
Tabela 24 - Fator de perda dos materiais [32]
De maneira conservadora, adotaremos o valor de 10% para o aço.
A tabela 33 abaixo, mostra o valor a ser utilizado para o fator FEPj:
Identificação Média Mínimo
Aço 10 4
Alumínio (esquadrias) 2 -
Areia 76 7
51
Tabela 25 - Fator de emissão devido à utilização do aço [32]
Identificação Mínimo
Emissões de CO2 pelo uso de energia (t CO2) 45.659.777,84
Produção total de ferro gusa e aço (toneladas) 26.506.000,00
Fator de emissão pelo uso de energia (t CO2/ t aço) 1,7
Fator de emissão pelo uso de carbonatos (t CO2/ t aço) 0,1
Fator de emissão do setor de ferro e gusa (t CO2/ t aço) 1,8
A quantidade QTj de aço necessário à estrutura nesse cenário foi determinada no
item 5 deste capítulo na tabela 25 e corresponde a 406,3 toneladas de aço.
Logo, de posse da equação 2 acima, pode-se calcular a emissão esperada para a
etapa de operação, extração, perdas por reações químicas e uso na obra:
Emissão = 406,3 x 1,83 x 10% = 74,35 toneladas de CO2
De modo a manter as mesmas distâncias analisadas na próxima etapa de emissões
de transporte, usaremos o mesmo range de distâncias possíveis, ou seja, de 100km até
1000km, perfazendo distância de ida e volta.
Esse valor depende muito da oferta de aço em um raio que varie entre esses dois
limites do local de operação e pode ser que seja realizável ou não, vai depender das
condições de oferta do mercado. Como os resultados obtidos são dependentes das
distâncias de transporte (ida e volta), caso as conjunturas de mercado apontem distâncias
maiores, basta ajustar a distância real na tabela e recalcular o valor real de mercado.
De acordo com o método de Costa [31], podemos calcular a emissão devido ao
transporte do produto acabado de acordo com a seguinte equação:
52
EmissõesTR1 = km x COt x FECi (equação 3) [31]
Onde:
EmissõesTR1 = emissões de CO2 em razão do transporte, em toneladas de
CO2/tonelada de produto acabado;
km = distância percorrida pelo veículo no transporte de matérias primas e produto
acabado (somatório das distâncias de ida e volta), em km;
COt = fator de consumo médio de energia de determinado tipo de veículo, em
L/t/km;
FECi = fator de emissão corrigido da energia i, em tCO2/L.
As tabelas 34 e 35, que exibem os valores esperados para cada fator da equação,
são exibidas a seguir:
Tabela 26 - Fatores de emissão corrigidos. Adaptado de [32]
Na tabela 34 acima, as colunas de A até H são classificadas conforme abaixo:
A) Conteúdo de carbono em tC/TJ
B) Fator FE, em t CO2/TJ
C) Fator de conversão
Identificação A B C D E F G H
Álcool Etílico Anidro 18,8 68,9 22,4 m3 1,54 1,85 0,0019 L
Álcool Etílico Hidratado 18,8 68,9 21,3 m3 1,47 1,77 0,0018 L
Bagaço de Cana 27,0 99,0 8,9 t 0,88 0,88 - -
Gás Natural Veicular - - - m3 2,00 2,40 - -
Gasolina Automotiva 18,9 69,3 32,2 m3 2,23 2,68 0,0027 L
Gasolina de Aviação 19,5 71,5 32 m3 2,28 2,75 0,0027 L
GLP 17,2 63,1 25,6 m3 1,61 1,94 0,0019 L
Óleo Combustível 21,1 77,4 40,2 m3 3,11 3,73 0,0037 L
Óleo Diesel 20,2 74,1 35,5 m3 2,63 3,16 0,0032 L
Petróleo 20,0 73,3 37,3 m3 2,73 2,73 0,0027 L
53
D) Unidade de medida
E) Fator FE em tCO2/ (D)
F) Fator FEC, em tCO2/ (D)
G) Fator FEC em tCO2/ (H)
H) Unidade de medida
A tabela 35 abaixo mostra os valores para a constante COt da equação, ou seja, o
fator de consumo médio de energia de determinado tipo de veículo que fará o transporte
da carga, em L/t/km.
Tabela 27 - Fator de consumo médio de energia por tipo de veículo [32]
Devido à realidade brasileira, possuidora de uma malha ferroviária inexistente,
não foi avaliado a possibilidade de transporte por trem. O modal “caminhão extrapesado”
também foi descartado, pois a complexidade do transporte por caminhões muito grandes,
pelas rodovias brasileiras (nem todas em bons estados) e os custos associados ao
transporte de carga elevada, desencorajaram a escolha por essa opção. A opção do uso do
navio também não foi analisada, de modo que o projeto não precisasse importar nenhum
tipo de matéria prima ou produto acabado.
Logo, as tabelas 36 e 37 abaixo exibem as emissões esperadas para as diversas
distâncias consideradas no presente estudo:
Identificação Consumo (L/t/km)
Caminhão Leve 0,0446
Caminhão Médio 0,0347
Caminhão semipesado 0,0196
Caminhão pesado 0,0121
Caminhão Extrapesado 0,0114
Trem 0,0115
Navio 0,0050
54
Tabela 28 - Emissões em totais por km viajado (ida e volta)
Veículo Consumo (L/t/km) Diesel Peso(t) 100 200 300 400 500
Caminhão leve 0,0446 0,0032 406,3 5,8 11,6 17,4 23,2 29,0
Caminhão médio 0,0347 0,0032 406,3 4,5 9,0 13,5 18,1 22,6
Caminhão semipesado 0,0196 0,0032 406,3 2,6 5,1 7,6 10,2 12,7
Caminhão pesado 0,0121 0,0032 406,3 1,6 3,2 4,7 6,3 7,9
Tabela 29 - Emissões em totais por km viajado 2 (ida e volta)
Veículo Consumo (L/t/km) Diesel Peso(t) 600 700 800 900 1000
Caminhão leve 0,0446 0,0032 406,3 34,8 40,6 46,4 52,2 58,0
Caminhão médio 0,0347 0,0032 406,3 27,1 31,6 36,1 40,6 45,1
Caminhão semipesado 0,0196 0,0032 406,3 15,3 17,8 20,4 22,9 25,5
Caminhão pesado 0,0121 0,0032 406,3 9,4 11,0 12,6 14,2 15,7
Portanto, pode-se observar que a análise dos cenários de emissões possíveis
envolve duas possibilidades extremas, uma extremamente otimista e uma extremamente
pessimista. A possibilidade otimista considera ao transporte por caminhão pesado, por
uma distância percorrida de apenas 100km. Já a possibilidade pessimista, considera a
possibilidade de transporte por caminhão leve, por apenas 1000 km.
Usaremos nesse cenário e em todos os demais o cenário mais pessimista de
emissão. Essa escolha nos leva a um valor de 58,0 toneladas de CO2 emitidos, conforme
a tabela 37 acima indica.
Dessa forma, a tabela 38 abaixo resume as emissões esperadas para o cenário 1
descrito, considerando a compra de todo material necessário no inventário, com as placas
da base feitas de chapas.
Tabela 30 - emissões com aço cenário 1
Etapa Emissão (t de aço)
Extração e transporte da
matéria prima, produção
do produto acabado, uso
em obra, perdas por
reações.
74,4
Transporte do produto
acabado 58,0
total 132,4
55
5.2. Compra de todo inventário em HDPE
No cenário 2, analisa-se as possibilidades de uso do HDPE em dois formatos
distintos, com as placas da base em forma de chapas e também em forma de dutos. Essas
duas análises serão feitas nos itens 5.2.1 e 5.2.2. O estudo que guia o cálculo das emissões
relacionadas ao uso do HDPE no conversor de energia das ondas é o estudo realizado por
Recio [32], para a fase de extração e produção da matéria prima e para a fase de produção,
instalação e uso. Para a fase de transporte do produto acabado para o sítio de operação, o
estudo de Costa [31] e a mesma equação relacionada à fase de transporte já utilizada no
item 5.1 anterior será mantido, bem como o estudo que considera diferentes distâncias de
100 a 1000 km
O estudo desenvolvido na Universidade da Catalunha por Recio [32] é baseado
em dois indicadores fundamentais: estimativa do consumo de energia e emissão de
dióxido de carbono associado a manufatura, uso, reciclagem e descarte final. O estudo
levou em consideração, para o HDPE puro, uma tubulação de 3 metros de comprimento
e 125 mm de diâmetro externo.
Segundo o estudo de Recio [33], para a extração e produção de HDPE são
consumidos 6,23 kWh/kg HDPE. Tal consumo resulta em emissão equivalente nessa
etapa do ciclo de vida de 1,60 kg CO2/kg HDPE.
Já para a produção, instalação e uso das tubulações, o mesmo estudo estima um
consumo de energia associado de 0,07 kWh/m, o que gera uma emissão associada de
143,57 kg CO2/m de tubo/ 50 anos, que é o tempo de vida útil utilizado.
Já na etapa de reciclagem, descomissionamento e descarte final, os percentuais
associados, frente à emissão total é irrelevante, portanto, será aqui desconsiderado.
Para a estrutura feita em HDPE, observa-se que o total necessário de material é
de 18,7 toneladas de HDPE, conforme a tabela 30. Considera-se nesse estudo que a
emissão de CO2/m de tubo, quando elevada ao quadrado, pode representar de forma
aproximada, a emissão de CO2/m2 de tubo.
56
5.2.1. Compra de todo inventário – placas de chapas na base
Logo, podemos montar 39 abaixo que resume as emissões esperadas para o uso
do HDPE na estrutura do conversor. Ela usa os fatores de emissão mencionados logo
acima para cada etapa da produção.
Tabela 31 - Emissões com placas da base de chapa
Parte Comprimento (m) Área (m2) Peso (t) Extração e produção (t CO2) Instalação e uso (t CO2)
Tubulações da torre 154,19 2,5 4,0 22,1
Tubulações da base 230,71 2,3 3,7 33,1
Estruturas extras 1413,7167 13,93 22,3 22,3
Total 384,9 1413,7167 18,73 30,0 77,5
O peso de 18,7 acima é indicado pela tabela 30 do cap.5, onde foi levantado todos
os inventários necessários a quaisquer cenários considerados nessa análise.
Já na fase de transporte do produto acabado, da mesma maneira conforme
considerado no cap. 5.1, considera-se um range de distâncias de 100km até 1000k, com
diferentes modais de transporte e considerando a existência de dois cenários extremos,
um muito otimista que considera o caminhão pesado no transporte por apenas 100 km, e
o mais pessimista que considera o caminhão leve por uma distância de 1000km.
As tabelas 40 e 41 a seguir mostram as emissões esperadas na fase de transporte:
Tabela 32 - Emissão no transporte de HDPE placas da base de chapa
Veículo Consumo (L/t/km) Diesel Peso(t) 100 200 300 400 500
Caminhão leve 0,0446 0,0032 18,7 0,3 0,5 0,8 1,1 1,3
Caminhão médio 0,0347 0,0032 18,7 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Caminhão semipesado 0,0196 0,0032 18,7 0,1 0,2 0,4 0,5 0,6
Caminhão pesado 0,0121 0,0032 18,7 0,07 0,2 0,2 0,3 0,4
57
Tabela 33 - Emissão no transporte de HDPE 2 placas da base de chapa
Veículo Consumo (L/t/km) Diesel Peso(t) 600 700 800 900 1000
Caminhão leve 0,0446 0,0032 18,7 1,6 1,9 2,1 2,4 2,7
Caminhão médio 0,0347 0,0032 18,7 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1
Caminhão semipesado 0,0196 0,0032 18,7 0,7 0,8 0,9 1,1 1,2
Caminhão pesado 0,0121 0,0032 18,7 0,4 0,5 0,6 0,7 0,7
Mantendo-se o critério de contabilizar sempre o pior cenário na etapa de
transportes, teremos uma emissão associada à essa etapa de 2,7 toneladas de CO2.
Dessa forma, as tabelas 42 e 43 abaixo resume as emissões esperadas para o
cenário 2.1 descrito, considerando a compra de todo material necessário no inventário,
com as placas da base feitas de chapas.
Tabela 34 - Emissões de CO2 com placas da base de chapas
Etapa Emissão (t de CO2)
Extração e produção
da matéria prima 30,0
Produção, instalação e
uso do produto
acabado
77,5
Transporte 2,7
Total 110,2
5.2.2. Compra de todo inventário – dutos na base
A análise aqui realizada é a mesma feita para o item 5.2.1, a única alteração feita
deve-se à alteração do peso da estrutura que passa de 18,7 para 31,5 toneladas. Sendo
assim, pode-se exibir as tabelas 43, 44, 45 e 46
58
Tabela 35 - Emissões com placas da base de dutos
Parte Comprimento
(m)
Área
(m2)
Peso
(t)
Extração e produção (t
CO2)
Instalação e uso (t
CO2)
Tubulações da
torre 154,2 2,5 4, 22,1
Tubulações da
base 230,7 15,1 24,2 217,5
Estruturas extras 1413,7 13,9 22,3 22,3
Total 384,9 1413,7 31,5 50,5 261,9
Tabela 36 - Emissões no transporte de HDPE em placas de dutos
Veículo Consumo (L/t/km) Diesel Peso(t) 100 200 300 400 500
Caminhão leve 0,0446 0,0032 31,5 0,5 0,9 1,4 1,8 2,3
Caminhão médio 0,0347 0,0032 31,5 0,4 0,7 1,1 1,4 1,8
Caminhão semipesado 0,0196 0,0032 31,5 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Caminhão pesado 0,0121 0,0032 31,5 0,1 0,2 0,4 0,5 0,6
Tabela 37 - Emissões no transporte de HDPE em placas de dutos 2
Veículo Consumo (L/t/km) Diesel Peso(t) 600 700 800 900 1000
Caminhão leve 0,0446 0,0032 31,5 2,7 3,2 3,6 4,1 4,5
Caminhão médio 0,0347 0,0032 31,5 2,1 2,5 2,8 3,2 3,5
Caminhão semipesado 0,0196 0,0032 31,5 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
Caminhão pesado 0,0121 0,0032 31,5 0,7 0,9 1,0 1,1 1,2
59
Tabela 38 - Emissões de CO2 com placas da base em dutos
Etapa Emissão (t de CO2)
Extração e produção da
matéria prima 50,5
Produção, instalação e uso
do produto acabado 261,9
Transporte 4,5
Total 316,9
5.3. Caso de Reciclagem de dutos de perfuração
O cenário aqui estudado considera uma estrutura completa nova de aço, porém
que nas placas da base utilizem-se dutos de perfuração ao reutilizados da indústria
petrolífera. Dessa forma, o projeto se livra da responsabilidade de emissão do CO2, já que
os dutos já foram anteriormente produzidos por outra indústria. Dessa forma, os dutos da
base seriam apenas considerados na fase de transporte, porém não de produção, já que
são reciclados.
Dessa maneira, as emissões relacionadas são as mesmas do cenário 1 acima,
descontadas da fase de produção dos materiais da base. Logo, de posse da mesma equação
usada no cap. 5.1, pode-se calcular a emissão esperada para a etapa de operação, extração,
perdas por reações químicas e uso na obra, considerando o novo peso total dessa fase sem
a parcela da base:
Emissão = 203,5 x 1,83 x 10% = 37,24 toneladas de CO2
Já as emissões relacionadas à fase de transporte serão as mesmas do item1, haja
vista que os dutos de reuso terão que ser transportados da mesma maneira que os dutos
comprados para a base, resultando em uma emissão relacionada à fase de transporte no
cenário mais pessimista de 58,0 toneladas de CO2 emitidos, conforme a tabela 37 indica.
A tabela 47 abaixo mostra o resumo das emissões relacionadas à cada etapa do
ciclo de vida:
60
Tabela 39 - Total de emissões usando dutos reciclados na base
Etapa Emissão (t de aço)
Extração e transporte da
matéria prima, produção
do produto acabado, uso
em obra, perdas por
reações.
37,2
Transporte do produto
acabado 58,0
total 95,2
5.4. Combinação de estrutura em aço e HDPE
Nesse cenário, estima-se a situação de uso de dutos reciclados em toda a estrutura
do conversor, excetuando apenas o seu flutuador. Espera-se que essa configuração seja a
mais vantajosa dos cenários estudados, já que considera grande parte da estrutura em
dutos que não serão produzidos por demanda do conversor de energia das ondas, mas sim
reutilizados. Dessa maneira, todo o material de dutos reutilizados terá suas emissões
contabilizadas unicamente na etapa de transporte.
Já o flutuador em HDPE é assim utilizado pelo ganho no peso, redução de
necessidade de manutenção e monitoramento recorrente e redução da necessidade de
pintura recorrente para cumprimento de obrigações de sinalização náutica exigida pela
Capitania dos Portos.
Dessa forma, pode-se estimar a emissão relacionada à produção, extração e
transporte da matéria prima, como a mesma relacionada à produção do flutuador de
HDPE exibida na tabela 39 na linha de estruturas extras que contempla o flutuador, de
44.58 toneladas de CO2.
Tabela 40 emissão flutuador HDPE
Parte Área (m2) Peso (t) Extração e produção (t CO2) Instalação e uso (t CO2) Total
Estruturas extras 1413,7 13,9 22,3 22,3 44,6
Já na fase de transporte, um novo peso será estabelecido para a estrutura, que
considera um flutuador em HDPE e todas as demais partes do conversor em dutos de
reuso. Dessa forma a tabela 48 a seguir resume aos novos pesos das partes da estrutura.
61
Tabela 41 - Novo peso da estrutura combinada HDPE - aço
Parte Peso (t)
Torre 23,1
Base 97,3
Estruturas extras
13,93
Total 134,33
Para o peso acima exibido para a nova estrutura, mantendo os cenários de
transporte analisados que consideram quatro tipos possíveis de caminhão e também o
espectro de distancias percorridas de 100 a 1000 km, obtém-se as tabelas 49 e 50 abaixo,
resumindo as emissões na fase de transporte:
Tabela 42 Emissão no transporte da estrutura combinada
Veículo Consumo (L/t/km) Diesel Peso(t) 100 200 300 400 500
Caminhão leve 0,0446 0,0032 134,3 1,9 3,8 5,8 7,7 9,6
Caminhão médio 0,0347 0,0032 134,3 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5
Caminhão semipesado 0,0196 0,0032 134,3 0,8 1,7 2,5 3,4 4,2
Caminhão pesado 0,0121 0,0032 134,3 0,5 1,0 1,6 2,1 2,6
Tabela 43 - Emissão no transporte da estrutura combinada 2
Veículo Consumo (L/t/km) Diesel Peso(t) 600 700 800 900 1000
Caminhão leve 0,0446 0,0032 134,3 11,5 13,4 15,3 17,3 19,2
Caminhão médio 0,0347 0,0032 134,3 9,0 10,4 11,9 13,4 14,9
Caminhão semipesado 0,0196 0,0032 134,3 5,1 5,9 6,7 7,6 8,4
Caminhão pesado 0,0121 0,0032 134,3 3,1 3,6 4,2 4,7 5,2
Dessa maneira, a tabela 51 a seguir sintetiza as emissões nas fases do ciclo de vida
da estrutura combinada.
62
Tabela 44 - Resumo de emissões da estrutura combinada
Etapa Emissão (t de CO2)
Extração e produção da matéria prima 22,3
Produção, instalação e uso do produto acabado 22,3
Transporte 19,2
Total 63,8
5.5. Análise comparativa
De maneira a facilitar a tomada de decisão e expor de maneira concisa e assertiva
as emissões calculadas em cada etapa de cada cenário discutido, o presente capítulo serve
para exibir os resultados calculados de maneira a criticar cada resultado obtido. A tabela
53 abaixo resume os cenários analisados:
Tabela 45 - Resumo comparativo
Etapa do
ciclo de vida
Cenário
1
Cenário
1 Análise
Vertical
Cenário
2.1
Cenário
2.1
Análise
Vertical
Cenário
2.2
Cenário
2.2
Análise
Vertical
Cenário
3
Cenário
3 Análise
Vertical
Cenário
4
Cenário
4 Análise
Vertical
Extração e
produção da
matéria
prima
74,4 56% 30,0 27% 50,5 16% 37,2 39% 22,3 35%
Produção,
instalação e
uso do
produto
acabado
77,5 70% 261,9 83% 22,3 35%
Transporte 58,0 44% 2,7 2% 4,50 1% 58,0 61% 19,2 30%
Total 132,4 100% 110,2 100% 316,9 100% 95,2 100% 63,8 100%
Analisando os números expostos acima, fica claro que o uso do HDPE nos
cenários 2.1 e 2.2 exibem como a redução causada por esse material no peso da estrutura
tem papel relevante na etapa de transporte dos produtos acabados para o sítio de operação.
Comparando-se o cenário 1, que possui uso inteiramente de dutos comprados,
(quando tempos total responsabilidade ambiental sobre as estruturas dimensionadas) e o
cenário 3, também é evidente a melhoria trazida ao processo pela introdução no mesmo
63
dos dutos reciclados de perfuração. Essa mudança foi responsável pela redução da
emissão total na fase de extração e produção da matéria prima e produção do produto
acabado de 74,4 toneladas para 37,2, aproximadamente 50% de redução.
Já a análise do cenário 4 que combina o uso do HDPE para o flutuador e dutos de
perfuração para todo o restante da estrutura, mostra uma configuração bem mais
harmoniosa entre as etapas. As reduções são evidentes e drásticas nas etapas de produção
e extração da matéria prima e da produção do produto acabado, além de observar-se
redução das emissões na etapa de transporte.
64
6. Conclusões e sugestões
Ficou claro durante a análise dos diferentes cenários que o peso do HDPE é um
fator que conta a seu favor na etapa de transporte. Além disso, o HDPE se mostrou menos
eficiente na fase de produção do produto acabado e posterior instalação e uso.
Já o aço se mostrou mais pesado e consequentemente menos eficiente nas etapas
de transporte. Porém, também se mostrou mais eficiente na etapa de produção do material
acabado e instalação e uso no sítio de operação, o que indica sua maior eficiência
operacional.
Analisando as observações acima tecidas nos dois últimos parágrafos, conclui-se
que o estudo mostra que o HDPE é o material mais recomendado para situações com
escassez de fornecedores de matéria prima perto do sítio de operação (países sem parque
industrial ou de menor população/população mais pobre), pois desse modo a distância
percorrida na fase de transporte deverá ser maior. Como a etapa de transporte não
influencia suas emissões, o material continua atrativo mesmo nesse cenário de escassez.
Por outro lado, o fato de o material ter menor eficiência durante produção do material
acabado, instalação e uso, indica que ele é mais recomendado para projetos de vida útil
mais curtos.
Já a análise das emissões do aço mostra que sua etapa de transporte é decisiva e
relevante, levantando a preocupação de minimizar distâncias percorridas. Logo, o estudo
nos indica que em regiões metropolitanas, onde o desenvolvimento industrial próximo à
região de operação é maior, o uso do aço pode ser de maior interesse. O aço também se
mostra mais eficiente na fase de uso, o que o credencia para ser escolhido como material
para projetos que tenham maior tempo de vida útil projetado. Por outro lado, conforme
visto, o uso do aço gera incrustações, que amentam as chances de falha por fadiga,
diminuem as condições para realização eficiente de um processo de manutenção e
monitoramento, etc. Todas essas influências negativas podem contribuir para a redução
do tempo de vida útil esperado para a operação
Por fim, é importante frisar que o processo de escolha de material é muito mais
complexo, como podemos ver, do que “apenas avaliar emissões relacionadas” à cada tipo
de material. A escolha passa pelo sítio de operação que se deseja operar, existência ou
não de fornecedores próximos ao local de operação, existência de mão de obra qualificada
para manutenção e monitoramento recorrentes.
65
A existência de outros fatores de emissão como as emissões relacionadas a
materiais de consumo como a solda e cabos, por exemplo, e também relacionados à fase
de descomissionamento e descarte foram negligenciados nesse estudo, pois a literatura
indica que suas emissões, dentro do total de emissões observadas, são irrelevantes para o
processo decisório.
Como sugestões de aprimoramento do projeto e do uso do conversor, a criação de
rótulos ecológicos que classifiquem os materiais mais usados nesse tipo de escopo, pode
ser de grande utilidade em momentos de anunciar o projeto e realizar captação com
investidores, podendo ser um aliado do marketing do produto.
O estudo de como as incrustações devem ser tratadas e limpas, com sugestões de
procedimentos, riscos e periodicidade, e de extrema relevância para a operação do
conversor de energia das ondas com o aço como material estrutural.
O aprofundamento do trabalho de Costa [31], desenvolvendo-o para um número
maior de materiais e estudando diferentes processos de fabricação para cada material
estudado, gerará enorme acervo de pesquisa e orientação para novos trabalhos.
66
7. Referências Bibliográficas
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