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trabalho de conclusão de curso feito na faculdade de oceanografia (UFPa) sobre conversão da energia termal oceânica (OTEC), em parte da zona econômica exclusiva (ZEE)do Brasil
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SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARA
INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS
FACULDADE DE OCEANOGRAFIA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
JEAN JOSIAS DOS SANTOS FIGUEIREDO
Conversão da energia termal oceânica e seu uso econômico
na Zona Econômica Exclusiva do Brasil
entre as latitudes de 5°N e 15°S
BELÉM-PA
2008
1
JEAN JOSIAS DOS SANTOS FIGUEIREDO
Conversão da energia termal oceânica e seu uso
econômico na Zona Econômica Exclusiva do Brasil
entre as latitudes de 05°N e 15°S
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade de Oceanografia do Instituto de Geociências da Universidade Federal do Pará, para obtenção do grau de Bacharel em Oceanografia.
Área de concentração: Recursos Energéticos Oceânicos, Engenharia Oceânica, Oceanografia Física.
Orientador: Prof. Dr. Estanislau Luczynski
BELÉM-PA
2008
2
Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação(CIP)
Biblioteca Geól. Rdº Montenegro G. de Montalvão
Figueiredo, Jean Josias dos Santos
F475c Conversão da energia termal oceânica e seu uso econômico
na Zona Econômica Exclusiva do Brasil entre as latitudes
de 05°N e 15°S. / Jean Josias dos Santos Figueiredo. – 2008
121 f. : il.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Oceanografia) – Faculdade de Oceanografia, Instituto de Geociências, Universidade Federal do Pará, Belém, Primeiro Semestre de 2008.
Orientador, Estanislau Luczynski
1. Recursos energéticos oceânicos. 2. OTEC. 3. Circulação oceânica. 4. ZEE. I. Universidade Federal do Pará II. Luczynski, Estanislau, Orient. III. Título.
CDD 20º ed.:333.7909163
3
JEAN JOSIAS DOS SANTOS FIGUEIREDO
Conversão da energia termal oceânica e seu uso
econômico na Zona Econômica Exclusiva do Brasil
entre as latitudes de 05°N e 15°S
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade de Oceanografia do Instituto de Geociências da Universidade Federal do Pará, para obtenção do grau de Bacharel em Oceanografia.
Data de aprovação:
Banca Examinadora:
_______________________________________
Prof. Estanislau Luczynski - Orientador
Doutor em Interunidades em Energia.
Universidade Federal do Pará
______________________________________
Prof. Mâamar El-Robrini - Membro
Doutor em Fisiografia Oceânica e Litorânea
Universidade Federal do Pará
__________________________________________
Profa. Maria Oziléa Bezerra Menezes - Membro
Doutora em Geologia
Universidade Federal do Pará
4
Para :
Flor (Mãe querida),
Cayo Murilo (minha vida),
Jeanne (mana batalhadora),
Flávio (Babo) e Renan (Nam)
Ray Dantas (grato pela companhia).
Aos Homens e Mulheres,
que em um mundo repleto de ignorância,
ousam fazer Ciência.
5
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Estanislau Luczynski, por despertar meu interesse com relação à
importância da questão sobre recursos energéticos, e pelo precioso auxílio na
elaboração deste trabalho.
Aos professores e professoras da graduação em Oceanografia, pela transmissão
de conhecimento ao longo do curso.
Aos prezados amigos da turma de 2003 e àqueles pertencentes a turmas de
outros anos (companheiros nessa jornada introdutória na Oceanografia). Muitas
felicidades a todos vocês (“Zezé praguinha”, bem-vindo ao mundo).
A equipe de trabalho da Biblioteca Setorial do Centro de Geociências, pela
presteza e cortesia no atendimento.
A secretária do curso (Ana) pela solicitude aos nossos pedidos de alunos.
A Jean Michel Jarre, Pink Floyd, Beethoven, Los Hermanos e tanto outros, por
suas sonoras treks, essenciais nos angustiantes momentos de vácuo mental durante a
gênese deste trabalho.
Aos meus pais, familiares e amigos que de alguma forma me incentivaram nessa
viagem inicial nos domínios da Oceanografia.
6
A essência do conhecimento é a prática”
(Confúcio)
Por onde vou guiar
O olhar que não enxerga mais
Dá-me luz, ó Deus do tempo
Dá-me luz, ó Deus do tempo
Nesse momento menor
Pr'eu saber seu redor
(Marcelo Camelo)
7
RESUMO
No Brasil, estimativas de crescimento econômico e populacional indicam o aumento da
demanda por energia no futuro. Uma das vias para contornar essa necessidade é o
aumento de oferta de energia através de fontes comercialmente estabelecidas. Porém,
a longo prazo, é prudente diversificar os tipos de fonte de energia. Neste contexto, os
oceanos apresentam um grande potencial a ser explorado. Dentre os recursos
energéticos oceânicos existentes, a Conversão da Energia Térmica Oceânica (OTEC) é
a que apresenta a maior quantidade teórica disponível de energia. Um sistema OTEC
está baseado nas diferenças de temperatura entre a água do mar superficial quente e a
água do mar profunda fria. Fez-se uma análise geral sobre OTEC e uma pesquisa
teórica do potencial de utilização da OTEC na Zona Econômica Exclusiva do Brasil,
entre as latitudes de 05°N e 15°S, como alternativa de recurso energético renovável. A
costa Nordeste e parte da costa Central têm vantagem sobre a costa Norte
(compartimentação segundo REVIZEE), pois apresenta massas d‟águas com diferença
de temperatura adequada mais próximas do continente do que na ZEE/NO (menor
custo com transporte de energia). As duas primeiras regiões possuem
aproximadamente em conjunto um intervalo de potência teórica disponível entre 12,2
GW 32,6 GW. No entanto, as duas costas podem receber usinas flutuantes, a grande
aposta para o futuro dessa tecnologia. É importante que estudos sejam conduzidos no
mar brasileiro para mapear áreas adequadas para testes de sistemas OTEC com
objetivo de avaliar seus benefícios e limitações.
Palavras-chave: Recursos energéticos oceânicos. OTEC. Circulação Oceânica ZEE.
8
ABSTRACT
Estimations of economical and population growth indicate that in the future the demand
for energy will increase in Brazil. One solution for this question is to increase the energy
supply by sources commercially established. But, in the long run, a wise decision is to
diversify the types of power source. In this context, the oceans have a huge potential to
be explored. Among the existing oceanic energy resources, Ocean Thermal Energy
Conversion (OTEC) shows the biggest available theoretical amount of energy. An OTEC
system is based on the temperature difference between the warm surface seawater and
the cold deep seawater. A general analysis on OTEC and a theoretical research of
potential OTEC use in areas between 05°N and 15°S that belongs to Brazilian Exclusive
Economic Zone were made. The Northeast coast and part of Central coast have
advantage over the North coast (division according to REVIZEE), because they have
water masses with appropriate temperature differences and they are closer to the
continent (lesser energy transport cost). The two first regions have approximately an
interval of available theoretical power from 12,2 to 32,6 GW. However, floating OTEC
plants can be operated in both coasts. This type of plant seems to be the future
application of this technology. It is important that researches were made in the Brazilian
sea to map suitable areas for systems OTEC tests purposing to evaluate these systems
in relation to its benefits and limitations.
Key-words: Oceanic energy resources. OTEC. Oceanic circulation. EEZ.
9
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Mapa 1 - Área em estudo e suas subdivisões...................................................................24 Figura- 1 Influência da latitude da Terra na distribuição da radiação solar
no planeta...........................................................................................................28 Figura 2 - Influência da inclinação do eixo da Terra na distribuição da radiação solar
no planeta........................................................................................................28 Figura 3 - Influência da inclinação do eixo da Terra na distribuição da radiação solar
no planeta...........................................................................................................29 Figura 4 - Influência do movimento de translação da Terra na distribuição da
radiação solar no planeta................................................................................29
Gráfico1 - Variação com a latitude da radiação solar absorvida versus reirradiação terrestre de energia......................................................................30
Mapa 2 - Distribuição de temperatura superficial do mar
(50 km global analysis)......................................................................................30
Figura 5 - Seção Transversal Generalizada das Principais Camadas Termais nos Oceanos........................................................................................................32
Gráfico 2 - Termoclina permanente em baixas latitudes...................................................32
Mapa 3 - Diferença de temperatura entre as água superficiais e à profundidade de
1000 m................................................................................................................33 .
Foto 1 - Instalação de um tubo de captação de água do mar fria para teste da usina OTEC de Claude na baia de Matanzas, Cuba .........................................36
. Foto 2 - Navio “Tunísia” transladado para o Brasil no qual foi
instalado o sistema OTEC de Claude .................................................................36 Foto 3 - Mini-OTEC montado pelo NELHA ......................................................................39 Foto 4 - Navio-usina OTEC “SAGAR SHAKTI” do NIOT com potência bruta
de 1 MW................................................................................................................40
Figura 6 - Ilustração de sistema OTEC com detalhe ampliado da parte superior do sistema.........................................................................................................42
10
Esquema 1- Sistema OTEC de ciclo fechado e seus principais subsistemas.................................................................................43
Figura 7 - Permutador de calor do tipo placa-aleta com detalhe ampliado do arranjo placa-aleta.......................................................................................................44
Gráfico 3 - Diagrama p-V para o ciclo OTEC Rankine......................................................45 Gráfico 4 - Diagrama T-s para o ciclo Rankine padrão.....................................................45 Esquema 2 - Sistema OTEC de ciclo aberto e seus principais
sub-sistemas...............................................................................................47 Foto 5 - Evaporador do tipo flash em ação com destaque para o lançamento de
água pulverizada..................................................................................................48 Gráfico 5 - Diagrama T-s típico para sistema OTEC
de ciclo aberto.................................................................................................49 Esquema 3 - Sistema OTEC de ciclo híbrido e seus principais
sub-sistemas...............................................................................................51 Foto 6 - Vista aérea de usina OTEC instalada no
continente ( Kealohe Point, Hawaii).....................................................................53 Figura 8 - Sistema OTEC instalado na plataforma continental.........................................55 Figura 9 - Navio-usina “SAGAR SHAKTI” e seu sistema
de ancoramento................................................................................................56 Esquema 4 - Funcionamento de uma
máquina térmica...........................................................................................57 Foto 7- Montagem de um CWP........................................................................................60 Foto 8 - CWP do navio-usina “SAGAR SHAKTHI”, projeto conjunto de
NIOT/IOES .........................................................................................................61 Figura 10 - Formação de escamas inorgânicas................................................................62 Foto 9 - Bioincrustação em uma embarcação...................................................................63 Gráfico 6 - Tipos de razão de emergia líquida de
diferentes concentrações................................................................................65
11
Gráfico 7 - Capital de investimento necessário para implantação de sistema OTEC ................................................................................................67
Esquema 5 - Produtos passíveis de serem obtidos a partir de um
sistema OTEC..............................................................................................70 Figura 11- Circulação atmosférica na costa brasileira......................................................77 Mapa 4 - Desenvolvimento da plataforma continental na área
em estudo...........................................................................................................81 Mapa 5 - Altura significativa e direção média de ondas no litoral norte. (Análise para 30 de outubro de 2007 (00h))......................................................82 Mapa 6 - Altura significativa e direção média de ondas no litoral nordeste
(Análise para 30 de outubro de 2007 (00h)).....................................................83 Mapa 7 - Representação esquemática do Giro Subtropical
do Atlântico Sul..................................................................................................84 Figura12 - Circulação oceânica simplificada do Oceano Atlântico...................................86 Figura 13 - Estrutura simplificada de massas d‟águas presentes na costa Norte do Brasil........................................................................................87 Figura 14 - Estrutura simplificada de massas d‟águas presentes
na ZEE-NE/parte da costa Central..................................................................88 Figura 15 - Distribuição vertical das massas de água ao longo do transecto
Perfil (A/S) durante o período de descarga mínima do rio Amazonas.................................................................................................90
Gráfico 8 - Distribuição vertical de temperatura oceânica no litoral norte do
Estado da Bahia e suas vizinhanças .................................................................91 Mapa 8 - Temperatura da AT a 52 m de profundidade obtida
pelo modelo OCCAM para a região oeste do Atlântico Sul...............................92 Mapa 9 - Temperatura anual na superfície do Atlântico
Sul/parte do Atlântico Norte..............................................................................93 Gráfico 8 - Variação da TSM na região ATO (1978-1986)................................................93 Mapa 10 - Temperatura da AIA a 989 m de profundidade................................................94
12
Mapa 11 - Temperatura anual do Atlântico Sul/parte do Atlântico Norte à profundidade de 1000m..................................................94
Mapa 12 - Relevo submarino da região oeste do Atlântico Sul até a
latitude de 15°S (Projeto LEPLAC).................................................................95
13
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Tipos de fonte de energia oceânica e estimativa de quantidade
de potência disponível....................................................................................25
Tabela 2 - Formas de energia marinha e potencial tecnicamente
explorável........................................................................................................26
Tabela 3 - Estimativa de custo unitário de eletricidade a partir do uso de OTEC
na Índia............................................................................................................66
Tabela 4 - Relação largura x profundidade da quebra de alguns locais da plataforma
continental norte brasileira...............................................................................80
14
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AAF Água Antártica de Fundo
ACAS Água Central do Atlântico Sul
ACAN Água Central do Atlântico Norte
AIA Água Intermediária Antártica
APAN Água Profunda do Atlântico Norte
AT Água Tropical
COOPE/UFRJ Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de
Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro
CWP Cold Water Pipe (Tubo para Água Fria)
IOES Institute of Ocean Energy of Saga University (Instituto de Energia
Oceânica da Universidade de Saga - Japão)
NELHA Natural Energy Laboratory of Hawaii Authority (Laboratório de
Energia Natural da Autoridade do Hawaii)
NIOT National Institute of Ocean Technology of India (Instituto Nacional
de Tecnologia Oceânica da India)
NREL National Renewable Energy Laboratory of USA (Laboratório
Nacional de Energia Renovável dos EUA)
15
OCCAM Ocean Circulation and Climate Advanced Modelling Project
(Projeto de Modelagem Avançada do Clima e Circulação
Oceânica)
OTEC Ocean Thermal Energy Conversion (Conversão da Energia
Térmica Oceânica)
tep Tonelada equivalente de petróleo
TSM Temperatura superficial do mar
ZEE Zona Econômica Exclusiva
ZEE-NO Zona Econômica Exclusiva da costa Norte do Brasil
ZEE-NE Zona Econômica Exclusiva da costa Nordeste do Brasil
16
LISTA DE SÍMBOLOS
°N grau de latitude norte
°S grau de latitude sul
°W grau de longitude oeste
„ minuto (latitude/longitude)
°C grau Celsius
K Kelvin
% por cento
bbl barril de petróleo
W Watt
GW Gigawatt
TW Terawatt
KWh Quilowatt.hora
MWh Megawatt.hora
TWh Terawatt.hora
km Quilômetro
km2 Quilômetro quadrado
mi2 milha quadrada
m.n. milha náutica
Sv Sverdrup
US$ Dólares americanos
17
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO................................................................................................... 19 2 OBJETIVOS....................................................................................................... 22 2.1 OBJETIVO GERAL............................................................................................. 22 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.............................................................................. 22 3 METDOLOGIA................................................................................................... 22 4 OCEANOS E O POTENCIAL DA TECNOLOGIA OTEC.................................. 24 5 FORMAÇÃO DOS GRADIENTES TÉRMICOS OCEÃNICOS.......................... 27 6 HISTÓRICO DA TECNOLOGIA OTEC E ESTÁGIO DE
DESENVOLVIMENTO ATUAL.......................................................................... 34
7 SISTEMAS OTEC.............................................................................................. 41 7.1 CONCEITO......................................................................................................... 41 7.2 CLASSIFICAÇÕES DOS SISTEMAS OTEC...................................................... 42 7.2.1 Quanto ao ciclo do fluido................................................................................. 42 7.2.1.1 Ciclo fechado...................................................................................................... 43 7.2.1.2 Ciclo aberto........................................................................................................ 46 7.2.1.3 Ciclo híbrido......................................................................................................... 51 7.2.2 Quanto à localização do sistema.................................................................... 52 7.2.2.1 Instalação no continente..................................................................................... 52 7.2.2.2 Instalação na plataforma continental.................................................................. 53 7.2.23 Instalação flutuante............................................................................................. 54 7.3 DESAFIOS TÉCNICOS E ECONÔMICOS......................................................... 56 7.4 SUBPRODUTOS OTEC E O CONCEITO
“DEEP OCEAN WATER APPLICATIONS” (DOWA)…………………………….. 69
7.4.1 Água dessalinizada.......................................................................................... 70 7.4.2 Maricultura........................................................................................................ 71 7.4.3 Sistemas de refrigeração................................................................................. 72 7.4.4 Produtos químicos........................................................................................... 73 8 POSSIBILIDADES DE USO NO BRASIL.......................................................... 74 8.1 BRASIL E A CONVENÇÃO DAS NAÇÕES UNIDAS SOBRE O
DIREITO DO MAR............................................................................................. 74
8.2 LOCALIZAÇÃO DA ÁREA EM ESTUDO........................................................... 75 8.3 DESCRIÇÃO DA ÁREA EM ESTUDO............................................................... 76 8.3.1 Aspectos meteorológicos................................................................................ 76 8.3.1.1 Circulação atmosférica....................................................................................... 76 8.3.1.2 Clima................................................................................................................... 78 8.3.2 Aspectos da plataforma continental............................................................... 79
18
8.3.3 Aspectos oceanográficos................................................................................ 82 8.3.3.1 Formação de ondas............................................................................................ 82 8.3.3.2 Circulação superficial......................................................................................... 83 8.3.3.3 Circulação profunda........................................................................................... 85 8.4 GRADIENTES TÉRMICOS OCEÂNICOS NA ÁREA
EM ESTUDO...................................................................................................... 88
8.5 POSSÍVEIS IMPACTOS AMBIENTAIS NA ÁREA EM ESTUDO....................... 96 9 DISCUSSÃO..................................................................................................... 101 10 CONCLUSÕES................................................................................................. 107 REFERÊNCIAS ........................................................................................................... 109
19
1 INTRODUÇÃO
Capacidade de realizar trabalho é a mais simples e mais comum definição de
energia. Para Radovic (1998) energia é uma propriedade da matéria que pode ser
convertida em trabalho, calor ou radiação. Segundo Branco (2004); Oliva e Giansanti
(1999), nosso universo é entremeado por matéria e energia, duas características
permutáveis, de modo que matéria pode se tornar energia, e vice-versa. Além disso, um
tipo de energia pode ser convertido em outro.
A energia se manifesta de formas variadas: energia proveniente da radiação solar;
energia geotérmica oriunda do interior da Terra; energia nuclear presente em alguns
minerais como urânio e tório; energia gravitacional contida no movimento das marés
oceânicas. Através de fenômenos naturais, a energia, especialmente a solar, pode
passar por modificações, sendo encontrada, por exemplo, na forma de energia
combustível, energia hidráulica (OLIVA; GIANSANTI, 1999) ou energia térmica
(SKINNER; TUREKIAN, 1988).
Para Branco (2004); Oliva e Giansanti (1999), a moderna sociedade industrial
exige uma infra-estrutura apropriada com constituição de um sistema energético
confiável para seu estabelecimento. Faz-se necessário, então, o desenvolvimento de
técnicas de aproveitamento dos sistemas energéticos naturais. Conforme Skinner e
Turekian (1988), como a necessidade de energia dessa sociedade cresce muito, ela
torna-se diariamente mais dependente de um abastecimento constante de energia.
O uso racional de energia é possível, mesmo assim, o suprimento de fontes
convencionais de energia, tais como gás, petróleo, carvão mineral e hidroeletricidade
teriam restrições para satisfazer a demanda por elas (SKINNER; TUREKIAN, 1988).
Portanto, o fornecimento de energia suplementar ao trabalho humano tornou-se vital
nas sociedades modernas, e a extensão de seu estudo até o mar tem se constituído
uma recente preocupação (NESHYBA, 1987; SKINNER; TUREKIAN, 1988; THURMAN;
TRUJILLO, 2004).
No Brasil, mais de 95% da matriz energética nacional é constituída das fontes
convencionais citadas somadas às contribuições de lenha, carvão vegetal e derivados
20
de cana-de-açúcar. Os dados indicam que a oferta interna de energia em 2005 foi de
aproximadamente 218,7 milhões de toneladas equivalentes de petróleo (tep), sendo
que cerca de 10% deste montante foi importado predominantemente na forma de
carvão mineral, gás natural e energia elétrica. Já o consumo final de energia em 2005
alcançou a cifra de 195,9 milhões de tep (BRASIL, 2006).
Conforme Estados Unidos1 (2006 apud BRASIL, 2006), em um cenário de
referência, o Produto Interno Bruto (PIB) do Brasil durante o período de 2003-2030 teria
um crescimento de 3,5% ao ano (a.a.), enquanto que para a população, espera-se um
aumento de 1% a.a.. Neste cenário, em 2030, o Brasil alcançaria o consumo de energia
de 433,5 milhões de tep, praticamente o dobro da oferta interna de energia em 2005, o
que representa uma taxa de crescimento de 2,5% a.a..
Para satisfazer essa demanda de energia, o Brasil deve aumentar a oferta de
energia paralelamente ao incentivo de um consumo mais eficiente de energia por parte
dos diversos setores da sociedade. O aumento pode ser feito através das fontes
convencionais ou por meio de fontes alternativas.
Com tecnologia já estabelecida comercialmente, as fontes convencionais
parecem ser o caminho mais óbvio, porém existem entraves a esse modelo. O maior
deles atualmente diz respeito ao uso de combustíveis fósseis, e sua conseqüente
contribuição para o lançamento de gases que intensificam o efeito estufa no planeta
(BRANCO, 2004; Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), 2001, 2007),
além da emissão de outros poluentes (BRANCO, 2004). Entretanto, outros
pesquisadores como Faria Junior (informação verbal) 2 e Leroux (2003) discordam da
contribuição da queima desses combustíveis para intensificação do efeito estufa.
Finalmente, não se pode ignorar que esse tipo de fonte provém de um recurso não-
renovável.
Com relação à energia hidroelétrica, alguns estudiosos acreditam que ela
apresenta grande capacidade de crescimento, pois o Brasil usa somente cerca de 25%
de seu potencial hídrico para este fim (OLIVA; GIANSANTI, 1999; ROSA, 2006). Porém,
1ESTADOS UNIDOS. International Energy Outlook (IEO). Departamento de Energia do Governo dos
Estados Unidos. Washington, DC, 2006. 2FARIA JÚNIOR, L. E. do C. Informação transmitida em aula da disciplina Sedimentologia aplicada à
Oceanografia. Belém, 2003.
21
como lembrado por Branco (2004), é preciso que a instalação de uma usina
hidroelétrica seja bem planejada e executada para evitar projetos ineficientes como a
usina de Balbina (AM). Além disso, sempre existe risco de se confiar quase toda a
produção de energia elétrica a uma única fonte, que embora renovável, depende do
regime de chuvas.
Portanto, além de aumentar a oferta de energia, é imprescindível que se
diversifique a matriz energética do país, incentivando-se a pesquisa de fontes
alternativas. Neste contexto, os oceanos apresentam possibilidades de outros recursos
energéticos, que não somente petróleo e gás submarino. Dentre eles, este trabalho
discutirá o aproveitamento da tecnologia Oceanic Thermal Energy Conversion-
Conversão da Energia Térmica Oceânica (OTEC) na Zona Econômica Exclusiva (ZEE)
do Brasil, em áreas limitadas por 05°N e 15°S.
Esta área é caracterizada por massas de água pertencentes à circulação oceânica
do Atlântico Sul Ocidental que podem ser estudadas com auxilio de modelos
numéricos, tais como Ocean Circulation and Climate Advanced Modelling Project-
Projeto de Modelagem Avançada do Clima e da Circulação Oceânica (OCCAM) usado
por Cirano et al.(2006) ou o Experimento ATL6 baseado no código numérico
paralelizado Océan Parallélisé- Oceano Paralelizado (OPA) utilizado por Silva (2006).
Nessa região, conforme Avery e Wu (1994); Neshyba (1987); USA National Renewable
Eenrgy Laboratory (NREL) (2007) é possível encontrar diferenças de temperatura entre
massas de água superficial e profunda, que apresentam potencial teórico para pesquisa
de uso da tecnologia OTEC.
Este trabalho está estruturado em 10 seções. A primeira trata dos objetivos do
trabalho, enquanto que a segunda relata a metodologia utilizada. Já a terceira seção
aborda a questão dos oceanos e o potencial da tecnologia OTEC, ao passo que a
quarta seção analisa a formação dos gradientes térmicos oceânicos. Na 5ª seção é
levantado o histórico da tecnologia OTEC e seu desenvolvimento atual. A 6ª seção tem
por assunto os sistemas OTEC e sua classificação, além dos desafios ao uso dessa
tecnologia e seus possíveis subprodutos econômicos. As possibilidades de uso dessa
tecnologia no Brasil são avaliadas na sétima seção, enquanto a discussão e conclusões
22
são feitas na 8ª e 9ª seções, respectivamente. Por fim, as referências bibliográficas são
apresentadas na décima seção.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Avaliar o potencial da Conversão de Energia Térmica Oceânica na Zona
Econômica Exclusiva do Brasil.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Analisar as características da tecnologia OTEC;
Avaliar as possibilidades de uso da tecnologia OTEC na ZEE do Brasil, dentro dos
limites de 05°N e 15°S;
Identificar locais com maior probabilidade teórica de interesse para estudos pilotos
sobre tecnologia OTEC dentro dos limites propostos.
3 METODOLOGIA
Pesquisa bibliográfica em literatura especializada e correlata sobre o assunto,
totalizando 117 referências, assim distribuídas: 32 artigos, entre científicos ou
simplesmente informativos; 25 páginas na internet; 17 livros; 10 trabalhos publicados
em anais de eventos; 9 Relatórios; 4 dissertações de mestrado; 3 trabalhos de
conclusão de curso; 2 teses de doutorado; 2 estudos compiladores; 1 plano de manejo;
1 projeto de gerenciamento costeiro; 1 estudo teórico; 1 nota técnica; 1 proposta de
pesquisa; 1 boletim estatístico; 1 enciclopédia eletrônica; 1 apresentação em slides de
23
palestra; 1 correio eletrônico, 1 banco de imagens de satélite; 1 banco de imagens de
temperatura superficiais oceânicas; 1 banco de imagens de temperaturas oceânicas
mundiais e 1 banco de imagens de previsão de ondas.
Algumas referências foram lidas total ou parcialmente do acervo das Bibliotecas
Central da Universidade Federal do Pará (UFPA) e Setorial do Instituto de Geociências
da UFPA, além de material particular. Outras referências foram obtidas através da
Internet.
A área estudada é a parte da ZEE brasileira compreendida entre as latitudes de
5°N e 15°S. Esses limites englobam águas das costas Norte (05°N) e Nordeste e parte
da costa Central (15°S) segundo divisão proposta pelo programa Avaliação do
Potencial Sustentável de Recursos Vivos na Zona Econômica Exclusiva (REVIZEE)
(mapa 1). Como a definição da extensão da ZEE é dada pela distância de 200 milhas
náuticas a partir da linha de base a partir da qual é medido o mar territorial, a ZEE
atinge várias coordenadas de longitude. Por exemplo, a ZEE do Amapá alcança valores
por volta de 51°W; já a ZEE em torno do arquipélago de Fernando de Noronha pode
apresentar longitude próxima de 29°W, enquanto que na latitude de 15°S a ZEE tem
valores de longitude de até aproximadamente 36°W.
Os critérios para avaliação da possibilidade de uso econômico da tecnologia
OTEC na área em questão foram o gradiente térmico oceânico vertical, as
características morfológicas da plataforma continental e batimetria do fundo oceânico,
além da produtividade biológica ocorrente.
24
Mapa 1: Área em estudo e suas subdivisões. Fonte: Adaptado de Montes (2003).
4 OCEANOS E O POTENCIAL DA TECNOLOGIA OTEC
Vários autores, como Avery e Wu (1994); Béguery (1979); Branco (2004); Brown
et al. (1995); Neshyba (1987); Thurman e Trujillo (2004), relatam a possibilidade de uso
de recursos energéticos peculiares da água do mar, bem como, a utilização dos
oceanos como suporte para aproveitamento de outros tipos de energia, a exemplo da
eólica.
Os autores supracitados destacam a característica da renovabilidade dos recursos
energéticos oceânicos, embora haja previsão de que num cenário de aquecimento
global, o aproveitamento da OTEC pode ser comprometido (em fase de elaboração)3·.
Contudo, Avery e Wu (1994); Avery e Berl (1997); Thurman e Trujillo (2004) afirmam
que esses recursos seriam obtidos e utilizados sem poluição oceânica ou atmosférica
relevante.
3 An estimate of Atlantic Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) resources, de autoria de Gérard C.
Nihous, a ser editado por Ocean Enegineering/Elsevier, jun. 2007.
25
Neshyba (1987) aponta ainda mais uma qualidade dos oceanos como fornecedor
de energia para a população humana: o fato de que eles, em dado instante, devido
suas grandes capacidades térmicas, possuem maior quantidade de energia derivada do
sol, estocada em uma coluna d‟água de área unitária do que aquela contida numa
coluna de área igual na atmosfera ou no continente.
As tabelas 1 e 2 mostram como estão distribuídos os recursos energéticos
oceânicos. Teoricamente qualquer uma dessas fontes pode se usada, contudo, de
modo geral, pode-se dizer que estas fontes se encontram em fase pré-comercial,
embora Skinner e Turekian (1988) relatem que projetos de energia maré-motriz já foram
testados em escala comercial. No Brasil, existe um projeto liderado pela Coppe/ UFRJ
que pretende aproveitar o potencial energético das ondas para produção de eletricidade
(FURTADO, 2006).
Tabela 1: Tipos de fonte de energia oceânica e estimativa de quantidade de
potência disponível.
Fonte de energia oceânica Estimativa teórica de
potência disponível (MW)
Ondas e Marés 6x106
Bioconversão 10x106
Correntes Oceânicas e Ventos 25x106
Gradientes de salinidade 1400x106
Gradientes térmicos 40.000x106
Total 41.141x106
Fonte: Adaptado de Constans 4(1979 apud Neshyba,1987).
4 CONSTANS, J. Marine sources of energy. Nova Iorque: United Nations department of international
economic and social affairs. 1979.
26
Tabela 2: Formas de energia marinha e seu potencial tecnicamente explorável.
Potencial
Tecnicamente Explorável
(TWh/ano)
Participação
Potencial em %
OTEC 100.000 82
Ventos e Ondas 18.400 e 1.400 17
Marés 800 <1
Total 120.000 100
Fonte: Adaptado de Gauthier ( 2003).
Entre todas as fontes possíveis de energia relatadas nas tabelas 1 e 2, a de maior
potencial está relacionada à diferença de temperatura entre as águas quentes
superficiais e as águas frias mais profundas. Para Avery e Wu (1994); Avery e Berl
(1997), essa diferença é passível de ser usada para transferir calor, o qual pode ser
aproveitado beneficamente.
Avery e Wu (1994) postulam que em média, num dia, o calor absorvido pelas
águas superficiais por 1 mi2 (≈2,6 km2) de área oceânica é maior do que aquele
produzido pela queima de 7000 bbl 5. Já conforme estimativas de NREL (2007), num
dia, em média, os mares tropicais com área de 23 milhões de mi2 (≈60x106 km2)
absorvem uma quantidade de radiação solar semelhante ao conteúdo de calor de cerca
de 250 bilhões de bbl.
Para Vega (1999), a quantidade de energia solar anual absorvida pelos oceanos é
equivalente a pelo menos 4000 vezes a taxa de consumo anual de energia no mundo
daquele período. Dados de British Petroleum (2007) indicam o consumo mundial de
energia primária foi de 9071,1 milhões de tep e a geração de energia elétrica bruta foi
de 14735,6 TW.h6 no ano de 1999.
5 1bbl = 159 L
6 1tep=12MW.h
27
Esta fonte potencial recebe uma denominação peculiar: Conversão da Energia
Térmica Oceânica - Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC). Conforme Skinner e
Turekian (1988), tal como a vazão de uma massa d´água de uma altura a outra é
utilizada para produzir energia elétrica, da mesma forma, um fluxo de calor entre corpos
com diferentes temperaturas pode servir para o mesmo objetivo.
Mantida a taxa de consumo anual de energia da década de 90, a partir de
sistemas OTEC com eficiência de 3% em converter energia térmica oceânica para
eletricidade, menos de 1 % desta fonte seria necessário para suprir essa demanda de
energia. Entretanto para que a retirada desta energia não traga impactos ambientais
danosos, é preciso primeiro identificar e desenvolver os meios para transformá-la numa
forma útil e de trazê-la até o consumidor (Vega, 1999).
5 FORMAÇÃO DOS GRADIENTES TÉRMICOS OCEÂNICOS
A radiação solar é a fonte primária de energia para a Terra. De 65 a 70% dessa
radiação, em média, penetram a atmosfera terrestre, com aproximadamente 50% da
radiação total alcançando diretamente a superfície. Desta ultima percentagem, uma
parte é refletida devido o albedo dos diversos corpos terrestres e a outra é absorvida
pela superfície (BROWN et al, 1995; NESHYBA, 1987).
O calor derivado da radiação absorvida é distribuído de maneira desigual no
planeta, sendo essa a razão pela movimentação das massas atmosféricas e oceânicas
e, formação de gradientes térmicos nos oceanos, tanto latitudinais quanto verticais
(BROWN et al, 1995; KENNETT,1982; NESHYBA, 1987; THURMAN E TRUJILLO,
2004).
Alguns fatores concorrem para essa distribuição não-uniforme. Neshyba (1987)
mostra a influência da latitude da Terra (Fig.1), em que a radiação solar é mais
concentrada no Equador do que em latitudes mais altas. Brown et. al. (1995) citam a
contribuição da inclinação do eixo da Terra (Figs.2 e 3) em relação a sua orbita em
torno do Sol, além do próprio movimento de translação do planeta - estações do ano
(Fig.4).
28
Figura 1: Influência da latitude da Terra na distribuição da radiação solar no planeta. Fonte: Adaptado de Krygier (2005).
Figura 2 : Influência da inclinação do eixo da Terra na distribuição da radiação solar no Planeta. Fonte: Adaptado de Miskulin (2001).
29
Figura 3: Influência da inclinação do eixo da Terra na distribuição da radiação solar no Planeta. Fonte: Adaptado de Miskulin (2001).
Figura 4: Influência do movimento de translação da Terra na distribuição da radiação solar no planeta. Fonte: Adaptado de Grimm (1999).
O resultado da ação conjunta dos fatores citados é uma maior absorção de calor
por unidade de área por dia na região equatorial que nas zonas temperadas e polares
(Gráfico1). Isto leva a um gradiente decrescente latitudinal de temperatura superficial do
Equador para os pólos conforme pode ser observado no mapa 2.(BROWN et al, 1995;
KENNETT,1982; NESHYBA, 1987; THURMAN; TRUJILLO, 2004).
30
Gráfico1: Variação com a latitude da radiação solar absorvida versus reirradiação terrestre de energia. Fonte: Adaptado de Cooperative Institute For Meteorological Satellite Studies (CIMSS) [2007?].
Mapa 2: Distribuição de temperatura superficial do mar (50 KM Global Analysis). Fonte: Adaptado de Estados Unidos (2007).
Em resposta a esse desequilíbrio térmico, massas atmosféricas e oceânicas
tendem a transportar calor do Equador em direção às altas latitudes. Uma parte da
água do mar que chega às zonas polares onde sofre processo de resfriamento pode se
31
transformar em gelo, o que resulta em uma água do mar remanescente mais salgada.
Ambos os processos implicam em maior densidade da água do mar nessa região,
promovendo o seu afundamento. Outra parte da água do mar presente na região se
insere na circulação superficial através do giro subpolar (BROWN et al., 1995;
KENNETT,1982; NESHYBA, 1987; THURMAN; TRUJILLO, 2004).
Ao afundar, essa água mais densa atinge grandes profundidades, chegando até o
assoalho oceânico, de onde se espalha pelas bacias oceânicas. Esta água fria mais
densa só emerge em certas regiões dos oceanos devido ao fenômeno da ressurgência
(NESHYBA, 1987; THURMAN; TRUJILLO, 2004). Forma-se, assim, uma estabilidade
térmica nos oceanos, onde existe uma água superficial menos densa (circulação
superficial controlada pelo vento) continuamente aquecida, apresentando temperaturas
médias superiores a 20°C até aproximadamente a latitude de 35° (giro subtropical).
Esta camada não se mistura de maneira relevante com a água fria profunda mais densa
(circulação termohalina) que exibe temperaturas próximas de 3 a 4°C.
Entre elas, se estabelece uma região (200-300 a 1000 m de profundidade) onde a
temperatura decresce de maneira rápida. Tal fato é decorrente da absorção não-
uniforme, especialmente concentrada nas camadas mais superiores do oceano, pela
água do mar dos comprimentos de onda que constituem a radiação solar. Esta região é
conhecida como termoclina, que em certas partes do oceano apresenta um perfil
vertical permanente (BROWN et al., 1995; NESHYBA, 1987; THURMAN; TRUJILLO,
2004). A figura 5 e o gráfico 2 esquematizam a situação descrita nos parágrafos
anteriores:
32
Figura 5: Seção Transversal Generalizada das Principais Camadas Termais nos Oceanos. Fonte: Adaptado de Brown et al. (1995).
Gráfico 2: Termoclina permanente em baixas latitudes. Fonte: Adaptado de University Corporation for Atmospheric Research (UCAR) (2001).
33
Desta forma, pode-se entender o Oceano como uma grande máquina térmica, na
qual a água funciona como fluido de trabalho, movendo-se entre a camada superficial
dos oceanos tropicais (fonte quente) e, as regiões polares e subpolares (fonte fria), de
onde parte dela afunda e se espalha pelas bacias oceânicas (NESHYBA, 1987;
SKINNER; TUREKIAN, 1988).
Segundo Avery e Wu (1994); Brown et al. (1995); Kennett (1982), nos oceanos
tropicais, as camadas mais superiores se comportam como um grande reservatório de
água quente, conservado a temperaturas médias anuais de até 28°C através do
balanço entre a absorção de calor do sol e a perda de calor por intermédio dos
processos de evaporação, convecção e emissão de radiação de ondas longas. Esta
temperatura se mantém aproximadamente constante dia e noite e mês a mês.
Nestas regiões, entre as latitudes de 15°N e 15°S para Avery e Wu (1994) ou
entre 20°N e 20°S conforme NREL, podem-se encontrar diferenças de temperatura,
entre a água superficial e a água a 1000 m de profundidade, que são passiveis para
implantação de usinas OTEC (mapa 3). Estas usinas poderiam utilizar estas diferenças
de temperatura para convertê-las em energia elétrica ou química (AVERY; BERL, 1997;
AVERY; WU, 1994).
Mapa 3: Diferença de temperatura entre as águas superficiais e à profundidade de 1000 m. Fonte: Adaptado de NREL (2007).
34
6 HISTÓRICO DA TECNOLOGIA OTEC E ESTÁGIO DE DESENVOLVIMENTO
ATUAL
A história inicial desta tecnologia é a mesma do desenvolvimento das primeiras
máquinas térmicas a partir do estabelecimento das Leis da Termodinâmica, baseadas
nos trabalhos de Sadi Carnot, escrito em 1824; o de Lord Kelvin, apresentado em 1849
a Royal Society da Inglaterra; o de Rudolph Clausius, proposto em 1851; além de varias
contribuições de William Rankine. A partir de então, a acumulação de conhecimento e o
melhor entendimento dos princípios físicos e químicos do funcionamento das máquinas
térmicas levaram ao estabelecimento de sistemas comerciais (AVERY; WU, 1994).
Os primeiros passos para concretização do conceito OTEC foram dados
principalmente por estudiosos franceses. Conforme Avery e Wu (1994), o cientista Le
Bom, em artigo publicado em 1881, vislumbrou o uso futuro de certos gases
comprimidos como potência motora visto suas propriedades de estocar e transportar
energia.
A publicação deste artigo induziu Arsene D‟Arsonval, físico francês considerado
pai da tecnologia OTEC, a propor o uso de máquinas térmicas com gases liquefeitos
como fluido de trabalho para obter energia de fontes à baixa temperatura disponíveis na
natureza. Dentre essas fontes, ele citou a ocorrência de uma diferença de temperatura
apropriada nos oceanos tropicais, onde a 1000 m de profundidade, uma temperatura de
4°C pode ser verificada (AVERY; WU, 1994).
Assim, com colaboração de Campbell, Dornig e Boggia (JOHNSON, 2006),
D‟Arsonval sugeriu que determinados engenhos poderiam utilizar água quente
superficial dos mares tropicais para evaporar um fluido, enquanto água fria profunda
produziria sua condensação, de modo a fornecer diferença de pressão suficiente para o
funcionamento desses engenhos (OCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION, 2007;
BÉGUERY, 1979). Para este fim, ele imaginou o uso de uma máquina térmica oceânica
de ciclo fechado (AVERY; WU, 1994; JOHNSON, 2006).
35
Contudo, segundo Béguery (1979), apenas em 1926, o engenheiro George Claude
(ex-aluno de D‟Arsonval) iniciou os primeiros projetos concretos desse conceito. Claude
7 (1930 apud JOHNSON, 2006, p.5), ao analisar o projeto de seu professor, fez
algumas ponderações sobre certas dificuldades do sistema OTEC de ciclo fechado:
Tal solução é carregada de um número de inconveniências. Sendo uma delas o equipamento extra para o fluido de trabalho e seu custo adicional, e outra é a necessidade de transmitir quantidades enormes de calor através das paredes inevitavelmente sujas dos imensos evaporadores.
Para contornar os problemas de construção de permutadores de calor de grande
área, e sua conseqüente corrosão e bioincrustação ele sugeriu um sistema OTEC de
ciclo aberto, utilizando a própria água quente do mar como fluido de trabalho. Tal
sistema é atualmente também denominado de ciclo de Claude (AVERY; WU, 1994).
Claude primeiramente mostrou a exeqüibilidade desta idéia em 1928 através da
instalação de uma usina em Ougree-Marhaye, na Bélgica. Neste local, foi usada como
fonte de água quente para o evaporador, a água de refrigeração a 30°C de uma usina
de aço, ao passo que como fluido condensante, utilizou-se a água do Rio Meuse a
10°C. Neste experimento, a potência de saída foi de cerca de 50 a 60 quilowatts (kW)
(AVERY; WU, 1994; BÉGUERY, 1979; JOHNSON, 2006).
Em 1930, após o teste bem-sucedido na Bélgica, Claude deslocou a usina para a
baia de Matanzas (Foto 1), Cuba, para demonstrar a viabilidade da produção de
potência térmica a partir da combinação de água quente superficial do mar com água
fria extraída de profundidade adequada (AVERY; WU, 1994; BÉGUERY, 1979;
JOHNSON, 2006).
7 CLAUDE, G. Power from the tropical seas. Mechanical Engineering. Nova Iorque, vol 52, p. 1039 -1044,
dez.1930.
36
Foto 1: Instalação de um tubo de captação de água do mar fria para teste da usina OTEC de Claude na baia de Matanzas, Cuba. Fonte: Claude
7(1930 apud BROWN; GAUTHIER; MEURVILLE, 2002).
Johnson (2006) relata que Claude, então, após duas tentativas fracassadas,
conseguiu operar o sistema, que gerou 22 kW de potencia de saída a partir de uma
diferença de temperatura de 14 °C. Entretanto, conforme Béguery (1979) a potência útil
fornecida pelo sistema era nula devido à energia requerida para o bombeamento de
água.
Cinco anos depois das experiências em Cuba, Claude montou outra usina, do tipo
flutuante, instalada à bordo de um navio cargueiro de 10.000 t (Foto 2). A sua intenção
era operar a usina na costa brasileira, porém, o plano não foi adiante devido ao
naufrágio do flutuador e perda da tubulação ocasionados por mau tempo e ondas
(OCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION, 2007; BÉGUERY, 1979).
Foto 2: Navio “Tunísia” que foi transladado para o Brasil no qual foi instalado o sistema OTEC de Claude. Fonte: Gauthier (2004).
37
Em 1942, o Governo francês criou L‟Office de L‟Energie Thermique des Mers
(Agência da Energia Térmica dos Mares) para pesquisa e construção de usinas OTEC.
Esta agência promoveu uma serie de pesquisas na França, Senegal e Costa do Marfim
(JOHNSON, 2006; BEORSE, 1977). Para Costa do Marfim, as pesquisas levaram ao
planejamento em de uma usina para gerar 40.000 kW de potência, a qual, devido
empecilhos orçamentários foi reduzida para 5.000 kW (BÉGUERY, 1979), embora
Ocean Thermal Energy Conversion (2007) registra que a potência inicial chegaria a 3
MW. Contudo, este projeto que data de 1956 não chegou a ser totalmente concluído
(JOHNSON, 2006; BEORSE, 1977).
Depois do pioneirismo no estabelecimento da tecnologia OTEC, a França somente
voltou a mostrar interesse nesta fonte de energia nos primeiros anos da década de 80,
quando o governo desse país, através do Centre National pour l‟Exploitation des
Océans (CNEXO), atualmente Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la
Mer (IFREMER), fez estudos para a construção de uma usina piloto de 5 MW na
Polinésia Francesa. Tal projeto foi abandonado pela falta de competitividade econômica
do sistema OTEC em relação a sistemas baseados no uso de combustíveis fósseis
(GAUTHIER, 2006; EUROPEAN CENTRE FOR INFORMATION ON MARINE SCIENCE
AND TECHNOLOGY [EUROCEAN], 2004). Na atualidade, existe uma associação
cientifica francesa denominada Le Club des Argonautes, que busca informar a
sociedade, entre outras coisas, sobre o uso potencial da energia dos oceanos como
pode ser visto pelos trabalhos de Brown; Gauthier; Meurville (2002); Gauthier (2003,
2006).
Nos Estados Unidos, o desenvolvimento da tecnologia OTEC se deu a partir do
retorno de Bryn Beorse para este país, depois de ele ter entrado em contato, nos anos
de 1947 e 1948, com os estudos sobre OTEC realizados na França (JOHNSON, 2006;
BEORSE, 1977).
Segundo Johnson (2006); Beorse (1977), o Laboratório de Conversão de Água do
Mar da Universidade da Califórnia foi o ponto de partida das pesquisas nos EUA sobre
sistemas OTEC. Esta universidade construiu e testou, sob a liderança de Bryn Beorse,
três usinas OTEC. A partir do conhecimento obtido com o teste das três usinas OTEC, a
Universidade da Califórnia planejou uma usina comercial de dessalinização para
38
implantá-la no cânion próximo ao Scripps Oceanographic Institution em La Jolla na
Califórnia. Contudo esta usina não chegou a ser construída, devido à preferência do
Governo e dos cidadãos norte-americanos por outro projeto (JOHNSON, 2006;
BEORSE, 1977).
Em 1962, J. Hilbert Anderson e James H. Anderson, Jr. planejaram uma usina de
ciclo fechado com o intuito de aperfeiçoar as idéias de Claude. A preocupação deles foi
a de criar componentes novos mais eficientes (OCEAN THERMAL ENERGY
CONVERSION, 2007). Em 1977, os dois pesquisadores apresentaram para o
Congresso americano um engenho piloto em pequena escala (JOHNSON, 2006;
BEORSE, 1977).
Segundo Johnson (2006); Beorse (1977), com a elevação abrupta do preço do
petróleo nos anos 70, o Governo americano, através da Fundação Nacional da Ciência,
custeou pesquisas sobre sistemas OTEC. Várias instituições se envolveram na
questão, como: Universidade de Massachusetts, Laboratório de Física Aplicada da
Universidade John Hopkins, além das Universidades do Texas, do Hawaii, de New
Orleans e da Florida. Paralelo a isso, o setor privado também investiu nessa área, e
diversas empresas contribuíram com suas análises, entre elas: Lockheed, Bechtel,
TRW, Andersons‟ Sea Solar Power, Hydronautics e Batelle.
Com a necessidade de investigação de novas fontes de energia devido à crise de
petróleo, outras instituições governamentais foram criadas para pesquisar sobre fontes
alternativas aos combustíveis fósseis. Uma delas, criado em 1977, foi o Solar Energy
Research Institute (SERI), atual National Renewable Energy Laboratory (NREL), que
em 1984 melhorou eficiência de conversão de energia de um sistema OTEC. No
momento, NREL não está conduzindo estudos sobre tecnologia OTEC (NREL, 2007).
Conforme Avery e Wu (1994); Offshore Infrastructure Associates, Inc. (OIA)
(2007), outra iniciativa dessa época foi a proposta de construção de uma usina OTEC
em Punta Tuna (Porto Rico) que seria gerenciada pela Puerto Rico Eletric Power
Authority.
Outra ação governamental norte-americana, durante esse período, foi a criação,
em 1974, do Natural Energy Laboratory of Hawaii (NELH), atualmente transformado
para Natural Energy Laboratory of Hawaii Authority (NELHA).Este laboratório
39
transformou-se num dos lideres mundiais atuais sobre tecnologia OTEC com vários
experimentos na área que vão desde a montagem do primeiro sistema de ciclo fechado
bem-sucedido na produção de potência líquida conhecido como “Mini-OTEC” (Foto 3),
em 1979 (OCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION, 2007), até pesquisas com
subprodutos úteis dessa tecnologia como os relatados por T.H. Daniel em seu trabalho
"The Promise of OTEC and Its By-Products", apresentado em um simpósio ocorrido no
ano de 1994 no Japão (NELHA, 2007).
Foto 3: Mini-OTEC montado pelo NELHA. Fonte: Vega (1999).
Outras nações também investiram em projetos de tecnologia OTEC. Em 1981, os
japoneses conceberam uma instalação com potência bruta de 100 kW que foi operada
na nação insular de Nauru (AVERY; WU, 1994; NREL, 2007; VEGA,1999). Conforme
Institute of Ocean Energy of Saga University (IOES) (2005), as pesquisas japonesas
sobre o assunto continuam até o momento.
Segundo Wu (2006), Taiwan possui o Industrial Technology Research Institute
(ITRI) que, entre outros ramos do conhecimento, lida com essa tecnologia. Outra
instituição que investiga usinas OTEC é a National Taiwan Ocean University (NTOU),
como pode ser visto no trabalho de Yeh; Su; Yang (2004) sobre a saída máxima de
uma usina OTEC.
40
A Índia também mostra interesse no desenvolvimento dessa tecnologia. Em 1982,
uma equipe de trabalho sobre o assunto foi formada no Instituto Indiano de Tecnologia
em Madras (Ravindran, 2000). Em 1993, o National Institute of Ocean Technology
(NIOT) foi criado, e a partir de então assumiu o comando das pesquisas sobre OTEC na
Índia. Em colaboração com a Universidade de Saga, este Instituto planejou, construiu e
realizou testes com um navio-usina OTEC de 1 MW de potência bruta (Foto 4)
(EUROCEAN, 2004; NIOT, 2004).
Foto 4: Navio-usina OTEC “SAGAR SHAKTI” do NIOT com potência bruta de 1 MW. Fonte: IOES (2005).
No Brasil, há registros de trabalhos de Sotelo Jr., que em sua dissertação de
Mestrado na USP em 1976, trabalhou com hidrodinâmica de sistemas oceânicos,
incluindo sistemas OTEC. Posteriormente, doutourou-se em 1981 pelo Massachusetts
Institute of Technology (MIT), EUA, onde apresentou a tese “Modeling, Off-Design
Performance and Control of OTEC Power Plants” . Outro trabalho relacionado ao tema
é o de Martins apresentado à EnergytecK 2002, denominado “Fontes Alternativas de
Energia: Maremotriz (Rance) e gradiente térmico (OTEC)”. O artigo escrito mais recente
sobre a questão do aproveitamento dos gradientes térmicos no Brasil é o de Almeida
(2007), intitulado “As fontes de energia do oceano”.
41
De um modo geral, a evolução da tecnologia OTEC tem ocorrido de maneira
oscilante, influenciada pela variação do preço dos combustíveis fósseis. Nos EUA, o
maior aporte de recursos financeiros nos anos 70 foi diretamente influenciado pela
grande elevação do valor do petróleo durante esse período, e conseqüente busca de
fontes alternativas de energia. Apenas o NELHA consolidou-se no desenvolvimento
dessa tecnologia. Na França, a opção se deu pela energia nuclear, já que os sistemas
OTEC seriam mais propícios para as regiões ultramarinas.
7 SISTEMAS OTEC
7.1 CONCEITO
Um sistema OTEC é basicamente uma máquina térmica na qual a fonte quente é
a água superficial do oceano e a fonte fria é a água profunda (Vega, 1999). Um fluido
de trabalho é vaporizado pela fonte quente, enquanto a fonte fria o resfria até
condensá-lo. Durante este ciclo, o trabalho mecânico do fluido é utilizado para gerar
energia elétrica através do acionamento de uma turbina. Para Avery e Wu (1994);
NREL (2007) esta energia pode ser transmitida para uso no continente, ou pode ser
aproveitada em usinas-flutuantes nos oceanos para produção de combustíveis ou
outros produtos químicos.
Para Avery e Wu (1994, p.3), um sistema OTEC apresenta os seguintes
subsistemas:
1- Uma máquina térmica ou usina de força, incluindo permutadores de calor, turbinas, geradores elétricos, bombas de água e fluido de trabalho, tubulações associadas e controles; 2- Um sistema de tubulação de água, que inclui um tubo de água fria (Cold
Water Pipe - CWP) através do qual a mesma é trazida de uma profundidade de 900 a 1000 m. Além de entrada de água quente e tubos de fluxo de escape de gás; 3- Um sistema de transferência para carregar energia produzida no oceano
para consumidores no continente, tanto na forma de eletricidade bem como na de combustível; 4- Um sistema de controle de posição, incluindo equipamentos de propulsão
e ancoramento, controles e sistemas de potência de reserva; e 5- Uma plataforma para sustentar a usina de força, sistema de tubulações,
equipamento de embarcação auxiliar, acomodações para os técnicos operacionais, junto com equipamentos de segurança e outros requisitos de habitabilidade.
42
A figura 6 apresenta uma ilustração de sistemas OTEC com alguns desses
subsistemas:
Figura 6: Ilustração de sistema OTEC. No detalhe, parte superior do sistema. Fonte: Adaptado de Thurman e Trujillo (2004).
Os sistemas OTEC podem ser divididos de dois modos. Um leva em consideração
o tipo de ciclo do fluido de trabalho. O outro se refere ao local de instalação do sistema
OTEC (OCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION, 2007; NREL, 2007). Cada tipo
apresenta certos inconvenientes técnicos e econômicos, algumas dessas dificuldades
serão apresentadas ao longo do subitem a seguir. Outras serão analisadas no subitem
7.3 “Desafios técnicos e econômicos”.
7.2 CLASSIFICAÇÕES DOS SISTEMAS OTEC
7.2.1 Quanto ao ciclo do fluido
Basicamente essa classificação exibe três grupos: ciclo fechado, ciclo aberto e,
um tipo intermediário denominado misto ou híbrido.
43
7.2.1.1 Ciclo fechado
Um sistema desse tipo leva esse nome porque o fluido operante (fluido de
trabalho) utilizado para produzir trabalho mecânico percorre um circuito fechado ao
longo do funcionamento desse sistema (Esquema 1).
Esquema 1: Sistema OTEC de ciclo fechado e seus principais subsistemas. Fonte: Adaptado de NREL (2007).
Conforme Avery e Wu (1994); NREL (2007); Beavis; Charlie e Meye (1986), neste
sistema, um fluido operante de baixo ponto de ebulição, como amônia ou freon, é
vaporizado pela água do mar quente, ao passar por um permutador de calor
(evaporador). Ocorre uma expansão moderada do vapor que então aciona um turbo-
gerador que produz eletricidade.
Ao entrar em contato com outro permutador de calor (condensador), o fluido
operante é condensado ao ceder calor para o meio devido à passagem de água do mar
profunda que possui baixa temperatura. Esta água profunda é bombeada até este ponto
através do tubo de água fria (CWP).
44
Tanto no condensador, como no evaporador, não existe um contato direto entre o
fluido operante e água do mar. Existe apenas uma troca de calor através dos
permutadores de calor. Depois de se mover pelo condensador, o fluido condensado é
então bombeado de volta para o evaporador para reiniciar o ciclo. Assim, se estabelece
uma circulação fechada para o fluido de trabalho, que numa situação ideal iria se
movimentar continuamente enquanto houver água do mar com temperatura adequada.
Para Avery e Wu (1994); NREL (2007), dentre os subsistemas presentes num
sistema de ciclo fechado, os permutadores de calor têm uma importância considerável.
Por causa da pequena diferença de temperatura, esses componentes precisam ser
projetados com uma área suficientemente grande para garantir a transferência de calor
necessária. Um arranjo mais moderno de se transpor essa dificuldade é o chamado de
placa-aleta (Fig.7). Neste caso, as aletas entre as placas aumentam a superfície de
contato do permutador.
Figura 7: Permutador de calor do tipo placa-aleta. À direita, detalhe ampliado do arranjo placa-aleta. Fonte: Adaptado de NREL (2007).
Um arranjo termodinâmico muito comum para tentativa de otimização do
funcionamento de sistemas de ciclo fechado é o ciclo Rankine (AVERY; WU, 1994;
DUNN, 1977). O ciclo Rankine se comporta basicamente como descrito nos parágrafos
iniciais desse subitem, porém sua aplicação abrange outras formas de máquinas
térmicas além de sistemas OTEC.
45
Os gráficos 3 e 4 abaixo mostram o comportamento de um fluido de um sistema
OTEC que se encontra sob regime de um ciclo Rankine padrão.
Conforme Dunn (1977), com base no gráfico 4, inicia-se a análise do
comportamento do fluido pelo processo 5-1(processo a-b do gráfico 3), no qual o fluido
operante é bombeado até o evaporador. Conforme Avery e Wu (1994), durante esse
bombeamento, o fluido sofre compressão isentrópica até atingir a pressão projetada. No
evaporador, o fluido, a uma pressão constante, é levado ao limite da região líquido-
vapor pelo pré-aquecedor (processo1-2), onde atinge a temperatura máxima do ciclo
Rankine.
No processo 2-3, o fluido de trabalho é vaporizado a pressão e temperatura
constantes. No gráfico 3, os processos 1-2 e 2-3 correspondem ao processo b-c. Após
isso, no processo 3-4, o vapor se expande isoentropicamente através da turbina
(processo c-d do gráfico 3). Num sistema ideal, essa expansão seria isoentrópica
reversível, resultando numa expansão adiabática como proposta por Avery e Wu
(1994). Finalmente, o fluido retorna ao estado líquido, a uma pressão e temperatura
Gráfico 3: Diagrama p-V para o ciclo OTEC Rankine.
Fonte: Adaptado de Avery e Wu (1994).
Gráfico 4: Diagrama T-s para o ciclo Rankine padrão. Fonte: Adaptado de Dunn (1977).
46
constante, no condensador (processo 4-5 equivalente ao processo d-a do gráfico 3),
onde alcança a temperatura mínima do ciclo Rankine.
Dunn (1977), utilizando o arranjo termodinâmico descrito anteriormente, ao
investigar analiticamente o desempenho de um sistema OTEC de ciclo fechado,
mostrou que a potência máxima líquida por área unitária é dada por:
(Pnet / A) max = C. Ho . (Δt - to)2
onde, Pnet = potência líquida;
A = área unitária;
C = função, que dentre entre outras variáveis, se relaciona diretamente com as
eficiências da turbina e do gerador (ηT e ηG, respectivamente) e de maneira inversa
com a temperatura da água do mar fria (TC);
Ho = máximo da função H, que depende da área dos permutadores de calor (AE –
Área do evaporador; AK -- Área do condensador), além dos coeficientes de
transferência total de calor do evaporador (UE) e do condensador (UK);
Δt = diferença de temperatura entre a água do mar quente (TH) e a água do mar
fria (TC); e,
to = parâmetro ligado principalmente às quedas de pressão através dos sistemas
de bombeamento de água do mar quente e fria.
Nesta análise, fica evidente a importância dos permutadores de calor e da
diferença de temperatura adequada para otimização da potência líquida.
7.2.1.2 Ciclo aberto
Sistemas OTEC de ciclo aberto utilizam a própria água do mar como fluido de
trabalho. Neste tipo, a água do mar é liberada após o uso, não retornando para o ponto
inicial do ciclo, daí o nome de ciclo aberto (AVERY; WU, 1994; NREL, 2007; OCEAN
THERMAL ENERGY CONVERSION, 2007; VEGA, 1999).
47
Neste ciclo, água do mar quente é bombeada para uma câmara, na qual a
pressão é reduzida através de uma bomba de vácuo até um valor baixo suficiente para
fazer a água sofrer uma evaporação flash parcial (evaporação de volume rápida). Logo
após, o vapor se expande passando por uma turbina de baixa pressão, que está ligada
a um gerador elétrico.
Depois de passar pelos processos anteriores, o vapor é, então, condensado numa
câmara similar pela água do mar fria que é bombeada das profundezas oceânicas
através de um CWP. Por fim, a água é despejada no oceano. Contudo, em vez de ser
condensado pelo contato direto com a água fria do mar, o vapor pode ser direcionado
para um permutador de calor resfriado pela água fria do mar. Neste caso, o vapor
d‟água condensado torna-se água doce, pois, o vapor deixou a maior parte de seu sal
na câmara de evaporação à baixa pressão.
O esquema 2 ilustra o funcionamento de um sistema OTEC de ciclo aberto
descrito acima.
Esquema 2: Sistema OTEC de ciclo aberto e seus principais sub-sistemas. Fonte: Adaptado de NREL (2007).
Um sub-sistema essencial nesse tipo de ciclo é o evaporador flash, que permite a
evaporação da água do mar à baixa pressão. Os modelos convencionais, como o de
fluxo de canal aberto, têm performance termodinâmica entre 70 a 80 %. Bharathan;
Penney8 (apud NREL, 2007) desenvolveram um novo modelo, chamado evaporador de
8 Bharathan, D.; Penney, T. Flash Evaporation from Turbulent Water Jets. Journal of Heat Transfer. American
Society of Mechanical Engineers (ASME). Estados Unidos, v. 106, pp. 407-415. 1984.
48
fluxo-vertical, no qual é transportada ascendentemente ao longo de um cano vertical e
violentamente pulverizada para fora deste, através de um jato de escape (Foto 5). Para
aumentar a eficiência deste evaporador, a água pulverizada pode cair em telas que
dissolvem as gotas de água, melhorando a taxa de evaporação. Este tipo de
evaporador alcança um desempenho termodinâmico de 90%.
Foto 5: Evaporador do tipo flash em ação com destaque para o lançamento de água pulverizada. Fonte: NREL (2007).
Avery e Wu (1994) descreveram os estados termodinâmicos de sistema de ciclo
aberto, utilizando um ciclo Rankine básico, através de um diagrama temperatura-
entropia (Gráfico 5).
49
Gráfico 5: Diagrama T-s típico para sistema OTEC de ciclo aberto. Fonte: Adaptado de Avery e Wu (1994).
O ciclo inicia pelo estado 1, no qual a água do mar quente da superfície está a 27
°C à pressão atmosférica. A água do mar flui para a entrada de um desaerador no
estado 2‟, onde a pressão é rapidamente reduzida para um valor um pouco acima da
pressão de vapor saturado à temperatura correspondente. Grande parte dos gases
dissolvidos, que possuem uma alta pressão parcial na água, será liberada devido à
rápida queda de pressão.
A água do mar flui então para dentro do evaporador de ação rápida (tipo flash) no
estado 2, onde a pressão ambiente é reduzida para a pressão de vapor saturado
equivalente à temperatura do vapor de saída; esta queda de pressão é a força motora
para a evaporação. Uma pequena quantidade de fluido de trabalho é rapidamente
transformada em vapor juntamente com rápida queda de temperatura. O estado
termodinâmico do fluido no evaporador do tipo flash é representado pelo estado 3.
A fase de vapor do fluido de trabalho no estado 3g se expande numa turbina,
convertendo energia térmica em trabalho mecânico. A água do mar, ligeiramente
concentrada, no estado 3f é bombeada de volta ao oceano no estado 7, onde sua
50
temperatura é menor do que a temperatura da água do mar quente na entrada. A
descarga de gás pela turbina no estado 4 é condensada pela liberação de calor à água
fria e termina no estado 5, como condensado saturado antes de ser bombeado de volta
para meio ambiente no estado 6.
Este condensado, quando submetido a um condensador superficial, se torna água
doce, que pode ser utilizada como subproduto de uma usina OTEC de potência. Se o
condensado é colocado de volta para o oceano, ele eventualmente será misturado com
água do mar e percorrerá as vias do processo dos estados 6 e 7 para o estado 1
através de um mecanismo natural de convecção originado da absorção da energia
termal solar pelos oceanos e atmosfera terrestre.
Para AVery e Wu (1994), pode-se desprezar o pequeno efeito do calor sensível na
produção de vapor, de modo que combinando os balanços de massa e energia no
evaporador do tipo flash, turbina e condensador superficial, calculam-se as taxas de
transferência de calor e produção de potência num sistema OTEC de ciclo aberto
básico através das seguintes equações:
Ǭin= ṁHCP(TH -TW);
Pg = ηT Ǭin (1- TC/TH);
Ǭout = Ǭin - Pg;
Pn = Pg – PSWS - PCSW - Pmiw; e,
η = Pn/ Ǭin
onde Ǭin = taxa de transferência de calor para o sistema;
ṁH = taxa de fluxo de massa de água quente;
TH = temperatura de entrada da água do mar quente;
TW = temperatura de saída de água do mar quente;
CP = calor específico;
Pg = potência bruta;
ηT = eficiência da turbina;
TC = temperatura de condensamento do vapor;
51
Ǭout = taxa de remoção de calor do sistema;
Pn = a potência líquida;
PSWS = perdas parasíticas de potência no circuito de água quente;
PCSW = perdas parasíticas de potência no circuito de água fria;
Pmiw = perdas parasíticas de potência nos circuitos de vários equipamentos; e,
η = eficiência do sistema.
Nota-se através das duas primeiras equações, a necessidade de temperaturas de
água do mar quente e fria apropriadas para o bom funcionamento do sistema.
7.2.1.3 Ciclo híbrido
Na tentativa de maximizar o uso de sistemas OTEC, foi criado um ciclo que
combina as características dos dois ciclos anteriormente discutidos. Este ciclo é
denominado, então, de ciclo híbrido, visto no esquema 3.
Para Avery e Wu (1994), o ciclo híbrido pode ser visto como uma variação do ciclo
aberto. Outras variações do ciclo aberto incluem o ciclo de levantamento de espuma e o
ciclo de levantamento de névoa.
Esquema 3: Sistema OTEC de ciclo híbrido e seus principais sub-sistemas. Fonte: Adaptado de NREL(2007).
52
Segundo NREL (2007), num ciclo híbrido, água do mar quente entra numa câmara
de vácuo, na qual sofre evaporação rápida de maneira semelhante ao processo
ocorrido num ciclo aberto. O vapor resultante é usado para vaporizar o fluido de
trabalho de um circuito de ciclo fechado do outro lado de um evaporador de amônia.
Depois disso, o fluido de trabalho vaporizado aciona uma turbina que produz
eletricidade. No final, o vapor se condensa dentro do permutador de calor adequado e
fornece água dessalinizada. Conforme Pacific Islands Applied Geoscience Commission
(SOPAC) (2005), outra variação deste ciclo é primeiramente o uso de um ciclo fechado
para gerar eletricidade para a criação do ambiente de baixa pressão necessário para o
funcionamento de um ciclo aberto.
7.2.2 Quanto à localização do sistema
Os sistemas OTEC apresentam modelos diversificados, implantados ou teóricos,
que podem ficar localizados próximos a costa ou em águas oceânicas. Cada modelo
apresenta benefícios e limitações de acordo com as características do ambiente onde
está instalado. Esta classificação será vista a seguir:
7.2.2.1 Instalação no continente
Este tipo de sistema OTEC é montado no continente ou em áreas próximas à
costa abrigadas de tempestades e águas turbulentas. Um exemplo desse tipo de
instalação é a usina do NELHA em Kealohe Point, Hawaii (Foto 6).
Conforme Vega (1999), testes de produção de eletricidade nesta usina foram
conduzidos no período de 1993 a 1998. Atualmente não há geração de energia elétrica
nesta usina, porém a água do mar fria é utilizada no sistema de refrigeração dos
prédios da administração e laboratório, além de outros fins como aqüicultura.
As regiões mais apropriadas para esse tipo de sistema precisam apresentar certas
características geomorfológicas, como: plataformas continentais estreitas (ex. ilhas
53
vulcânicas), taludes inclinados (15- 20°) e fundos marinhos relativamente planos. Isto
reduz o tamanho do CWP (NREL, 2007).
Foto 6: Vista aérea de usina OTEC instalada no continente ( Kealohe Point, Hawaii). Fonte: Vega (1999).
Conforme NREL (2007), aspectos vantajosos dessa instalação incluem a dispensa
de ancoramento sofisticado, cabos de transmissão de energia longos e manutenção
mais extensiva relacionada com ambientes de oceano aberto. O acesso mais fácil para
montagem e operação desse tipo de sistema auxilia na diminuição do custo da energia
gerada. Outra característica interessante de sistemas instalados no continente é a
possibilidade de usinas OTEC atuarem conjuntamente com outras indústrias no
continente, as quais serão vistas no subitem 7.4.
7.2.2.2 Instalação na plataforma continental
Segundo NREL (2007), na tentativa de evitar a zona de surfe turbulenta, bem
como ter um acesso mais próximo da fonte de água profunda, sistemas OTEC podem
54
ser instalados na plataforma continental, onde a profundidade alcança até 100 m
(Fig.8). Esse arranjo também procura evitar a poluição visual que usinas OTEC
poderiam causar em área continental, bem como outros impactos ambientais zona
costeira.
A construção desse sistema pode ser feita num estaleiro, e depois ser levado ao
local escolhido, para sua fixação ao assoalho marinho. Antes, porém, considerações
geotécnicas devem ser feitas para garantir integridade das fundações desse tipo de
instalação. Este tipo de montagem já é usado para plataformas petrolíferas.
Figura 8: Sistema OTEC instalado na plataforma continental. No detalhe ampliado, observam-se sistema OTEC, embarcação transportadora de subprodutos OTEC (ex. combustíveis) e fluxo de água do mar fria. Fonte: Adaptado de Ciência Viva (2004) e Ocean Engineering & Energy Systems (OCEES) (2007).
7.2.2.3 Instalação flutuante
Projetos de Sistemas OTEC de grande potência devem ser preferencialmente
desenhados neste modelo, como é o caso do navio-usina “SAGAR SHAKTI”, projeto
conjunto de NIOT e IOES, com potência bruta de 1 MW. Grandes quantidades de água
do mar com diferença de temperatura adequada são necessárias para esse tipo de
55
empreendimento. Deste modo, o melhor local para captar e posteriormente despejar
esse montante de água do mar são águas oceânicas profundas. Outra questão
importante é que devido o grande tamanho de suas instalações, é necessário local
onde a probabilidade de ocorrer conflitos por uso de espaço costeiro ou marinho seja
mínima.
Além disso, sistemas de fixação para usinas de OTEC desse porte tenderiam a
ser mais sofisticados do que para os tipos anteriormente discutidos e, portanto, mais
caros. Deste modo, esse tipo de sistema opera em águas oceânicas para além da
plataforma continental, utilizando sistemas de ancoramento (Fig.9). Projetos de
pequeno porte como foi o “Mini-OTEC”, visto no item 5 (Foto 3), também podem utilizar
plataforma flutuante.
Uma variação do sistema OTEC flutuante é conhecida como usina de “pastoreio”.
Embora possa possuir sistemas de ancoramento, ela não é fixa no assoalho marinho,
de modo a estar em movimentação continua. Devido uma usina de “pastoreio” possuir
capacidade de procurar águas com maior diferença de temperatura possível para sua
operação, ela pode se movimentar para além da ZEE de uma nação, alcançando águas
internacionais (WORLD ENERGY COUNCIL [WEC], 2001; TAKAHASHI, 2003).
Outras variações de sistemas OTEC incluem projetos de modelos semi-
submersos que podem ter a parte inferior fixa no assoalho marinho ou flutuante nas
águas oceânicas, como o exemplo visto na figura 6.
56
Figura 9: Navio-usina “SAGAR SHAKTI” e seu sistema de ancoramento e de tubulação de água do mar. Fonte: Adaptado de IOES (2005).
7.3 DESAFIOS TÉCNICOS E ECONÔMICOS
Para o uso em escala comercial de sistemas OTEC, existem obstáculos a serem
contornados. Primeiramente, é necessário lidar com os limites das leis da
Termodinâmica (Vega, 1999).
Como foi visto em 6.1, estes sistemas são simplesmente máquinas térmicas
adaptadas ao ambiente marinho, cuja fonte quente é a água do mar superficial (≥25°C)
e a fonte fria é a água do mar profunda (4 a 5 °C). Assim, sistemas OTEC estão
submetidos à 2ª Lei da Termodinâmica estabelecida por Clausius em 1850 e Kelvin em
1851. Para Máximo e Alvarenga (2000, p. 142), esta lei pode ser enunciada da seguinte
forma:
57
“É impossível construir uma térmica que, operando em ciclo, transforme em
trabalho todo calor a ela fornecido.”
Este enunciado é equivalente ao proposto em Halliday, Resnick e Walker (1996, p.
242):
“Não existem máquinas térmicas perfeitas.”
Portanto, qualquer máquina térmica, para completar o ciclo, não transforma todo
calor absorvido da fonte quente em trabalho. A máquina sempre rejeita parte do calor
absorvido para uma fonte fria (Esquema 4) (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 1996;
MÁXIMO; ALVARENGA, 2000).
Esquema 4: Funcionamento de uma máquina térmica. Fonte: Adaptado de Máximo e Alvarenga (2000).
Para avaliar numericamente o exposto acima, existe uma relação física conhecida
como rendimento (R), dada por:
R= W/Q1;
onde, W= trabalho realizado pela máquina;
Q1= calor absorvido através da fonte quente;
58
Em termos de rendimento, diz-se, então, que qualquer máquina térmica
apresenta rendimento menor que 100%.
Estudando o máximo rendimento de uma maquina térmica, Sadi Carnot em 1824,
encontrou um ciclo teórico (hoje conhecido como Ciclo de Carnot), que apresentava o
maior rendimento possível de uma máquina térmica qualquer operando entre as
temperaturas das fontes, T1(Fonte quente) e T2 (Fonte fria) (AVERY; WU, 1994;
HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 1996; MÁXIMO; ALVARENGA, 2000).
Este rendimento máximo é dado por:
R=1-T2/T1 ou R= ΔT/T1;
onde, Δ T= variação de temperatura entre as duas fontes, com T na escala Kelvin.
Contudo, o ciclo de Carnot é uma situação teórica ideal, que apresenta certos
inconvenientes na prática, de modo que os projetistas de sistemas OTEC optaram por
outro ciclo para construí-los. O ciclo escolhido foi o ciclo Rankine, como foi visto em
7.2.1.
Conforme Avery e Wu (1994), no ciclo Rankine, o intervalo de temperatura
disponível para o funcionamento da máquina é limitado a aproximadamente metade da
diferença de temperatura entre as águas quente e fria. Assim, deve existir certa
diferença de temperatura, de modo a haver calor suficiente a fim de ser transferido da
água quente para o fluido de trabalho no evaporador, bem como, outra diferença de
temperatura para transferência de calor do fluido de trabalho para a água fria no
condensador (AVERY E WU, 1994).
A partir das informações expostas acima, pode-se então fazer uma análise
numérica do rendimento de um sistema OTEC.
Ciclo de Carnot R= ΔT/T1
Ciclo Rankine R‟= ΔT‟/ T1‟; porém ΔT‟≈ ΔT/2, assim:
R‟=ΔT/(2 T1‟);
como pode ser observado em 7.2.1.1, segundo Dunn (1977), tem-se T1‟< T1(TM < TH),
de modo que:
R>R‟>R/2.
59
Utilizando valores que podem ser encontrados em águas tropicais, chega-se aos
seguintes resultados.
TH=25°C TH=298 K;
Tc=5°C Tc= 278 K;
R= (298-278)/298= 6,7%, implicando que R‟> 3,35%.
Com as eventuais perdas decorrentes das quedas de pressão durante o
funcionamento do ciclo, além de outras possíveis combinações de TH e Tc, o
rendimento de um sistema OTEC baseado num ciclo Rankine sofre pequena redução
adicional (AVERY; WU, 1994). Deste modo, segundo Neshyba (1987), na prática, o
rendimento desse sistema varia de 2 a 3%. Para Vega (1999), no entanto, ele oscila de
3 a 4%. Ainda assim, com foi visto no item 4, para Vega (1999), a partir desses
sistemas é possível satisfazer as necessidades de energia da população humana.
Para melhorar o rendimento do ciclo Rankine, pesquisas realizadas nos EUA e no
Japão levaram a algumas modificações no arranjo básico do mesmo. Em 1985, o físico
americano Kalina apresentou uma variação do ciclo Rankine que foi batizado com seu
nome. A principal modificação proposta no ciclo Kalina foi a utilização de uma mistura
de amônia e água como fluido de trabalho, além da implantação de um subsistema
extra: o recuperador (IOES, 2005; OCEES, 2007). A Universidade de Saga, no Japão,
ao estudar o ciclo Kalina, conseguiu melhorar seu desempenho, criando, então, o ciclo
Uehara que, entre outras modificações, diminuiu a carga do condensador, atingindo um
rendimento de 5 a 6% (IOES, 2005).
Outra questão relevante que se soma ao exposto acima sobre a viabilidade
técnica de uma usina OTEC é o cálculo da quantidade de potência líquida produzida.
Grosso modo, pode-se dizer que a potência líquida desse tipo de usina é obtida pela
diferença entre a potência bruta gerada e a potência necessária para manter o sistema
de bombeamento de água do mar e do fluido de trabalho (AVERY; WU, 1994; DUNN,
1977). Segundo Vega (1999), o consumo do sistema de bombas varia de 20 a 30% da
potência gerada no conjunto tubina-gerador.
É importante ter em mente que além da diferença de temperatura apropriada, há
também que se fazer considerações sobre o volume adequado de água do mar a ser
60
bombeado. Conforme Vega (1999), para a produção de cada MW de potência líquida, é
preciso o bombeamento de 4m3/s de água quente do mar bem como o bombeamento
de 2m3/s de água do mar fria, com diferença de 20°C entre elas.
Para Vega (1999), usinas OTEC comercialmente atrativas teriam que produzir 100
MW de potência líquida no caso de nações industrializadas, enquanto que em
pequenos estados insulares em desenvolvimento poderiam ser construídas usinas de
menor porte de 1,5 a 2 MW. Considerando estes números, para uma usina de grande
porte, haveria, então, a necessidade de uma entrada de 400 m3/s de água do mar
quente e 200 m3/s de água do mar fria para o sistema. Vê-se, pois, que um sistema
OTEC demanda um bom projeto de subsistema de tubulação de entrada e descarga de
água.
Este desafio de engenharia é bem exemplificado na construção e instalação de
um CWP (Foto 7), que pode atingir extensões de até 1 km (Foto 8) ou mais. Seu
projeto, a um custo aceitável, tem de levar em consideração condições naturais de
mudança de direção das correntes marinhas o que ocasiona a movimentação do CWP
nas três direções axiais, bem como a sua rotação em vários eixos (OFFICE OF
TECHNOLOGY ASSESSMENT,1980), alem do ataque químico da água do mar.
Foto 7: Montagem de um CWP. Fonte: Brown; Gauthier; Meurville (2002).
61
Foto 8: CWP com aproximadamente 1 km de extensão. A tubulação desta foto faz parte do projeto em parceria de NIOT/IOES do navio-usina “SAGAR SHAKTHI”. Fonte: IOES(2005).
Nos EUA, conforme Vega (1999); Office of Technology Assessment (1980) vários
trabalhos foram conduzidos sobre essa questão. Diversos materiais mostraram bons
resultados em testes laboratoriais e no ambiente marinho. Entre eles, citam-se plástico
reforçado com fibra de vidro (fiberglass reinforced plastic - FRP), polietileno de alta
densidade (high-density polyethylene – HDPE) e borracha reforçada com nylon. Outros
métodos incluem a construção de parte do CWP de usinas OTEC próximas a costa com
materiais mais rígidos como aço e concreto. Isto ocorre quando esta parte da tubulação
está acima água do mar e escoa a água fria do mar em direção ao continente para
outros objetivos (BEAVIS; CHARLIE; MEYE, 1986).
Ainda que não se esgote o assunto sobre os desafios técnicos, aqui neste trabalho
esta questão será finalizada com uma breve análise sobre processos de corrosão,
bioincrustação e escamas inorgânicas.
Como já foi visto no subitem sobre ciclo OTEC fechado, um fator importante num
projeto desse tipo é a eficiência do permutador de calor. Quando ocorre a formação de
camadas finas de material estranho sobre a superfície deste subsistema, esta eficiência
é reduzida (NREL, 2007; MORSE; KANEL; CRAIG, JR., 1979). Esta deposição tem
basicamente três fontes, já citadas anteriormente: bioincrustação, produtos de corrosão
62
e escamas inorgânicas (Fig.10). Para Morse; Kanel; Craig, Jr. (1979) é provável que
exista uma interrelação complexa entre esses processos. Laque (1969) relata o ataque
a uma superfície de aço inoxidável correlacionado aos cirripédios fixados a esta
superfície.
Um material estudado para construção de permutadores de calor é o titânio,
devido sua resistência à corrosão. Porém, seu alto custo impulsionou a procura de
novos materiais. As pesquisas concluíram, então, que os materiais mais indicados são
ligas de alumínio (NREL, 2007). Porém, Morse; Kanel; Craig, Jr. (1979) estudando
sobre a formação de escamas inorgânicas em permutadores de calor, concluíram que a
corrosão do alumínio pode criar condições para a formação dessas escamas.
Figura 10: Formação de escamas inorgânicas. Fonte: Adaptado de Hall e Graham (1996).
É notório que materiais imersos na água do mar tendem a se tornar locais para
fixação de microorganismos (Foto 9). Segundo Horbund e Freiberger (1970), um
padrão de desenvolvimento de bioincrustação se dá pela colonização inicial por
bactérias. Muitas dessas bactérias produzem secreção mucilaginosa que age como um
substrato capturador de algas, como as diatomáceas. Após a etapa exposta acima,
organismos maiores como cracas e briozoários se instalam no material submerso.
Conforme Horbund; Freiberger(1970), algumas bactérias que se fixam a superfícies
63
metálicas podem produzir ácidos que as corroem, enquanto outras podem destruir
revestimentos orgânicos.
Foto 9: Bioincrustação em uma embarcação. Fonte: Mårtensson (2005).
Testes de laboratório mostram que a bioincrustação em permutadores de calor
pode ser evitada através da mistura intermitente de cloro nos tubos, por um período de
aproximadamente 1 hora por dia, a uma concentração de 70 ppb (NREL, 2007).
Outra linha de pesquisa investiga substâncias químicas de outros seres vivos que
inibam o crescimento dos organismos incrustantes. O NIOT conduz estudos sobre
butanol extraído de três espécies de esponjas, além de testes com butanol e propanol
presentes em uma espécie de baiacu - Tetradon innermis (NIOT, 2004). No Brasil, uma
pesquisa sobre um antiincrustante natural extraído de algas vermelhas foi desenvolvida
na Universidade Federal Fluminense (LENT, 2000). Por fim, existem no mercado tintas
antiincrustantes que trabalham com outro conceito. Estas tintas contêm silicone em sua
composição. Quando aplicada, elas produzem uma superfície muito lisa e escorregadia,
de modo que se torna difícil a fixação de organismos incrustantes (HEMPEL, 2007).
Pelo exposto sobre os desafios técnicos, em especial aqueles referentes ao baixo
rendimento alcançado por um sistema OTEC e ao desenvolvimento de subsistemas
apropriados para usina OTEC, como CWP, permutadores de calor e subsistemas de
ancoragem, nota-se claramente a necessidade de certo investimento financeiro para a
utilização de usinas OTEC em escala comercial.
64
Odum9 (1996 apud ORTEGA, 2002) criou a metodologia emergética, que entre
outras variáveis, leva em conta o aspecto econômico. Emergia pode ser entendida
como toda energia necessária para se obter um produto. Em Odum et al. (1997), é
proposto uma avaliação de emergia líquida de várias fonte de energia (gráfico 6),
incluindo OTEC.
Propostas de novas fontes de energia têm de apresentar razão de emergia líquida
maior que 1, além disso, para que sejam competitivas economicamente, esta razão
deve ser maior que a razão de uma atual fonte de energia. Caso a fonte de energia
possui razão de emergia líquida inferior a 1, ela consome mais energia do que gera e,
deste modo, não se comporta como uma fonte, mas sim como um consumidor. Fontes
desse tipo existem somente quando são ricamente abastecidas por outras energias que
fornecem subsídio. Fontes que têm rendimento positivo de emergia líquida estão sobre
o eixo horizontal. Fontes abaixo desse eixo, localizadas ao lado esquerdo, são tão
diluídas que requerem mais emergia para ser concentradas do que podem render.
Ainda que restem dúvidas sobre o potencial de utilização da tecnologia OTEC,
Odum et al. (1997) classificaram essa tecnologia com razão próxima a -10, portanto
como inviável para ser uma fonte alternativa de energia. Para os autores isto se deve
ao custo de ancoragem e de manutenção de embarcações e tubulações em mar
profundo e agitado por tempestades.
9 Odum, H.T. Environmental accounting, emergy and decision making. Nova Iorque: John Wiley &
Sons, 1996. 370 p.
65
Gráfico 6: Tipos de razão de emergia líquida de diferentes concentrações. Fonte: Odum et al. (1997).
Vega (1999) concorda que sistemas OTEC necessitam de grande capital de
investimento e que, as primeiras usinas comerciais serão provavelmente de pequeno
porte e segundo WEC (2007) os custos de capital para um sistema OTEC variam de
US$ 7 000 a 15 000/kW, cerca de dez vezes o custo de capital para sistemas
convencionais de energia. Para Avery e Wu (1994) são vários os fatores que estão
relacionados com o esse custo total de um sistema OTEC.
O primeiro a ser levado em consideração é a variação de temperatura ΔT, que
logicamente quando é a maior possível (≈ 24°C) minimiza os custos. Em seguida,
deve-se analisar qual o rendimento termodinâmico do sistema. Importante também
nesse levantamento de custo é a distancia da usina para o continente.
Outros fatores dependem do tipo de sistema OTEC. Por exemplo, uma usina de
ciclo fechado, como já mencionado, precisa de permutador de calor eficiente. Conforme
Avery e Wu (1994), devido ao baixo gradiente de temperatura oceânico, este
subsistema deve ter uma área de transferência de calor por kilowatt de potencia gerada
Concentração de emergia
Ra
zão
de
em
erg
ia líq
uid
a
Ra
zão
de e
me
rgia
líq
uid
a
Ra
zão
d
e
em
erg
ia
líq
uid
a
66
de cerca de 10 vezes àquela dos permutadores usados em usinas a gás. Assim, se o
custo por área unitária do permutador de calor de uma usina OTEC for igual ao de uma
usina a gás, este subsistema torna-se uma parte principal no projeto de uma usina
OTEC. Conforme Beavis, Charlie e Meye (1986), este custo pode chegar até a 40% do
investimento total. Deste modo, uma meta do desenvolvimento da tecnologia OTEC tem
sido encontrar permutadores de calor que tenham um pequeno custo por kilowatt e
necessidades mínimas de estruturas de suporte (AVERY; WU, 1994).
Conforme foi visto, sistemas OTEC necessitam de um ótimo projeto de um CWP.
O custo de um projeto de CWP inclui sua montagem, instalação no local de operação e
sua manutenção. Assim, essa estrutura tem relevante papel no custo total de uma usina
OTEC.
Kobayashi (2002) mostra uma estimativa de custo feita pelo NIOT para o
funcionamento de um sistema OTEC levando em consideração alguns dos fatores
elencados acima, além de outros elementos (Tabela 3).
Tabela 3: Estimativa de custo unitário de eletricidade a partir do uso de OTEC na
Índia.(continua)
Potência
bruta
(MW)
Potência
líquida
(MW)
Permutador
de calor
(milhões de
US$)
CWP
(milhões de
US$)
Embarcação
(milhões de
US$)
1 0,617 1,70 0,69 0,69
25 15,39 44,40 1,74 2,33
50 30,88 88,22 2,67 4,65
100 64,23 152,58 4,65 9,30
67
(conclusão)
Fonte: Adaptado de Kobayashi (2002).
Avery e Wu (1994), comentando sobre custos de sistemas OTEC, relatam a
influencia do porte (potência gerada) da usina, bem como do seu local de instalação.
Isto é corroborado por Vega (1999) (gráfico 7).
Gráfico 7: Capital de investimento necessário para implantação de sistema OTEC. Fonte: Adaptado de Vega (1999).
Ancoragem
(milhões de
US$)
Turbina mais
custo de instalação
(milhões de
US$)
Custo da
eletricidade
(US$/kWh)
2,09 1,16 0,189
3,49 17,44 0,082
4,65 34,48 0,079
5,81 69,76 0,068
68
Para Avery e Wu (1994), uma grande parte dos custos totais de um sistema OTEC
flutuante seriam de componentes comercialmente disponíveis que poderiam ser obtidos
a um custo fixo. Além do mais, toda construção seria possível com a tecnologia
existente, com instalações adaptadas para as exigências do uso OTEC. Um sistema
OTEC flutuante pode ter seus subsistemas padronizados de modo a serem produzidos
em escala, com conseqüente redução de custos. A produção de unidades idênticas irá
reduzir os custos por um fator de 0.85 até 0.95 para cada duplicação do numero
produzido (AVERY; WU, 1994). Desta maneira, o custo total de 32 evaporadores de
uma usina de 160 MW composta de unidades de 5 MW seria 19 a 27 vezes o custo do
primeiro evaporador produzido.
Com relação ao porte da usina, Avery e Wu (1994) comentam que se for
aumentada a potência de um sistema de 5 MW para 25 MW, o custo se elevaria por um
fator de 2.5 até 3.5, ao invés de 5. A combinação de aumento de potência gerada com
produção em escala de subsistemas poderia reduzir os custos de um sistema OTEC
flutuante entre uma unidade de demonstração e a produção completa em 50% ou mais.
Esta redução de custo dificilmente é atingida por sistemas OTEC instalados no
continente, pois de modo geral, são projetados para solucionar exigências de usuário
específico, de modo que se comportam como sistemas não padronizados, sem as
vantagens da produção em escala.
De modo geral, a tecnologia OTEC ainda não conseguiu avançar da fase de teste
para a fase comercial. Este fato está diretamente ligado ao fato de que as fontes de
combustíveis convencionais são mais baratas. Nos anos 70, a alta do preço do petróleo
justificava os investimentos nessa fonte de energia por parte do governo americano. Os
Estados Unidos gastaram, então, US$1,2 milhões em 1974 e US$ 2,8 milhões em 1975
em financiamento para projetos de sistemas OTEC (JOHNSON, 2006). Volumosos
relatórios foram produzidos, propondo vários arranjos de sistemas OTEC. Porém com o
controle sobre o preço do petróleo, a grande maioria desses projetos foi arquivada,
restando apenas o trabalho do NELHA sobre o assunto neste país. Mesmo assim
segundo Takahashi (2003), o governo americano já investiu mais de US$ 250 milhões
em projetos relacionados à tecnologia OTEC.
69
Atualmente, ainda que por motivos diferentes da crise anteriores que motivaram a
elevação do preço do petróleo, aparentemente tem se desenhado um cenário de alta
contínua do custo deste recurso energético. A escalada do preço do petróleo começou
em 2000 e, até julho de 2006 tinha subido 235% (GALÁN; GUERRA, 2006). Na bolsa
de Nova Iorque, no fim do dia 2 de outubro de 2007, os contratos de Petróleo
Intermediário do Texas (WTI, leve) alcançaram o valor de US$ 80,05 por barril (UOL
ECONOMIA, 2007). A partir desse cenário, é possível que os sistemas OTEC, além de
outras fontes alternativas de energia, ganhem competitividade econômica. A questão é
saber se governos e empresas privadas terão interesse em investir na tecnologia
OTEC.
7.4 SUBPRODUTOS OTEC E O CONCEITO “DEEP OCEAN WATER APPLICATIONS”
(DOWA)
Como foi visto no item 3, o potencial para a tecnologia OTEC é enorme, porém no
subitem anterior se observou que ela carece de competitividade econômica em relação
a fontes convencionais no que diz respeito à produção de eletricidade. Contudo, um
pacote de subprodutos (Esquema 5) pode ser obtido a partir dessa tecnologia, o que
ajudaria na viabilidade econômica de um sistema OTEC.
Atualmente, muitos pesquisadores que trabalharam com a tecnologia OTEC focam
seus estudos nesses subprodutos. Isto é compreensível quando o interesse dos
financiadores das pesquisas, no momento, está direcionado para estes subprodutos.
70
Esquema 5: Subprodutos passíveis de serem obtidos a partir de um sistema OTEC. Fonte: Adaptado de NREL (2007).
Esse conjunto de produtos e serviços oriundos da água fria oceânica, que pode
ser obtido a partir de um sistema OTEC, recebe a denominação de “Deep ocean water
applications” (DOWA) – “Aplicações de água oceânica profunda”. Para algumas
indústrias, existe mercado potencial para seus produtos. Entre elas, incluem-se a
indústria de bebidas, alimentar, farmacêutica e cosmética (KOBAYASHI, 2002; WU,
2006). Já Avery e Berl (1997); Avery e Wu (1994); MacKenzie e Avery (1996) relatam a
possibilidade da conversão da energia térmica oceânica em energia química.
Neste subitem alguns desses produtos serão descritos:
7.4.1 Água dessalinizada
Como foi visto nos subitens sobre ciclo aberto e híbrido, um subproduto que um
sistema OTEC pode fornecer é água dessalinizada (AVERY; WU, 1994; NREL, 2007;
TAKAHASHI, 2003; VEGA, 1999). Esta água pode ser utilizada para dessedentação
humana e animal, além de servir à agricultura.
71
Para Block e Lalenzuela (1985 apud NREL, 2007), uma usina de 2 MW de
potência líquida produziria cerca de 4.300 m3 de água dessalinizada por dia. Já
Takahashi (2003) relata que uma usina de 1 MW conseguiria produzir até 3.500 m3 por
dia.
Comunidades humanas que vivem em ilhas são candidatas em potencial para
esse tipo de abastecimento de água doce (NESHYBA, 1987; TAKAHASHI, 2003,
VEGA, 1999). Embora, por volta dos anos 1950, a Universidade da Califórnia tenha
projetado uma usina de dessalinização de água do mar que iria abastecer parte da
Califórnia. Sua produção seria de 18,79 x106 L de água doce por dia (JOHNSON,
2006). Aplicações mais refinadas e com maior valor agregado também podem ser feitas
a partir de água dessalinizada. Pesquisas resultaram na fabricação de água mineral e
bebidas isotônicas (KOBAYASHI, 2002; NELHA, 2007; WU, 2006).
Na agricultura, a água do mar fria pode permitir o cultivo de culturas de zonas
temperadas em áreas tropicais, diversificando a oferta de vegetais nessas regiões
(OCEES, 2007; TAKAHASHI, 2003; WU, 2006).
7.4.2 Maricultura
Um sistema OTEC pode integrar uma operação de policultura que alia a produção
de energia com a de proteína (NREL, 2007). Isto é possível devido a água profunda
bombeada ser rica em nutrientes e relativamente livre de patógenos. Assim, ela é um
meio excelente para crescimento de plâncton que pode sustentar a criação em cativeiro
de certos peixes e mariscos de valor comercial ampliando a utilidade de uma usina
instalada no continente (NESHYBA, 1987; NREL, 2007; WU, 2006). Da mesma maneira
que acontece com a agricultura, a água oceânica profunda permite a criação de
espécies não nativas de regiões tropicais dentro de tanques (NREL, 2007).
Além disso, conforme Kobayashi, 2002; Takahashi, 2003, o bombeamento de
água oceânica profunda para a superfície do mar provoca uma ressurgência artificial.
Isto possibilita condições para o estabelecimento de uma área propícia à pesca
próxima, por exemplo, a uma usina de “pastoreio”.
72
Produtos de alto valor como biofármacos e biopigmentos (por exemplo,
astaxantina) também podem ser obtidos a partir do cultivo de certas microalgas em
tanques abastecidos de maneira contínua pela água oceânica profunda proveniente do
sistema OTEC (TAKAHASHI, 2003).
7.4.3 Sistemas de refrigeração
A água do mar fria (5°C) disponibilizada por um sistema OTEC pode ser
aproveitada em sistemas de refrigeração de processos que estão relacionados ou
próximos a usina. Os organismos criados em cativeiro citados anteriormente, por
exemplo, precisam, após sua retirada dos tanques, de um correto armazenamento a
uma temperatura adequada para garantia de sua qualidade. Um sistema de
refrigeração com uso de água do mar fria como fluido refrigerante passando através de
serpentinas poderia ser utilizado para este objetivo (NREL, 2007). Este mesmo princípio
pode ser usado para condicionamento de ar em prédios (NREL 2007; OCEES, 2007).
Conforme NREL (2007), se estima que um tubo de 0,3 m de diâmetro pode fornecer
0,08 m3 de água por segundo. Se essa água for recebida a 6°C num tubo como esse,
ela pode produzir condicionamento de ar suficiente para um prédio grande.
NELHA tem economizado até US$4.000 por mês desde que ele trocou o sistema
convencional de condicionamento de ar nos seus três prédios pelo resfriamento
baseado na água do mar profunda (NELHA, 2007).
Segundo Neshiba (1987), outro destino para água descartada por um sistema
OTEC pode ser sua utilização como água de resfriamento para outras indústrias que
por ventura se localizem ao longo da costa próxima ao sistema OTEC.
73
7.4.4 Produtos químicos
Pesquisas feitas pelo Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL)
entre 1975 e 1982 demonstraram a viabilidade técnica da construção de usinas OTEC
de “pastoreio”. Este tipo de usina produz, com auxilio da energia elétrica gerada por ela
própria, substâncias químicas que podem atuar como combustíveis (AVERY; BERL,
1997). Nesta usina, através da eletrolização da água, pode-se obter hidrogênio (H2) e
oxigênio (O2) que são capazes de abastecer naves espaciais. Segundo Ogden (2006),
o hidrogênio também é objeto de pesquisas para abastecimento de automóveis, com
previsão de inicio de fase comercial entre 2010 e 2020.
Outra forma de converter a energia elétrica em energia química aproveitável em
uma usina OTEC de “pastoreio” é a síntese de amônia, através da combinação do
hidrogênio com o nitrogênio (N2) extraído do ar via liquefação (AVERY; BERL, 1997).
Segundo Avery e Berl (1997), testes com motores Toyota de quatro cilindros indicaram
que a amônia pode ser utilizada como combustível de automóveis, com menor emissão
de óxidos de nitrogênio que os automóveis convencionais. Para MacKenzie e Avery
(1996), o uso de amônia ao invés de hidrogênio evitaria os problemas de
armazenamento, segurança e logística deste último.
Outro destino da amônia produzida num sistema desse tipo seria a fabricação de
fertilizantes agrícolas nitrogenados.
Finalmente, conforme Avery e Berl (1997), metanol combustível pode ser obtido
numa usina OTEC de pastoreio. O carbono necessário para formação desse composto
seria fornecido por meio de navios carvoeiros.
74
8 POSSIBILIDADES DE USO NO BRASIL
8.1 BRASIL E A CONVENÇÃO DAS NAÇÕES UNIDAS SOBRE O DIREITO DO
MAR
O Brasil ratificou em 22 de dezembro de 1988 sua assinatura à Convenção das
Nações Unidas sobre o Direito do Mar (CNUDM) concluída em 10 de dezembro do
mesmo ano em Montego Bay. Ela apresenta e/ou confirma os conceitos de mar
territorial, zona econômica exclusiva e plataforma continental. Em 4 de janeiro de 1993,
o Governo brasileiro sancionou a Lei nº 8.617, que tornou os limites marítimos
brasileiros coerentes com os limites preconizados pela CNUDM (Souza, 1999). Em
WEC (2001), afirma-se que antes do estabelecimento desta Convenção, nenhum
investidor, seja publico ou privado, poderia ter interesse sério de financiamento de
empreendimentos em áreas oceânicas.
Segundo Souza (1999):
“A zona econômica exclusiva é uma zona situada além do mar territorial e a este adjacente[..].” (CNUDM, art. 55) e “[...] não se estenderá além de 200 milhas marítimas das linhas de base a partir das quais se mede a largura do mar territorial” (CNUDM, art. 57).
Este limite da ZEE terá alteração quando a plataforma continental se estenda além
das 200 m.n., o que dá o direito ao Estado costeiro de estender a sua ZEE a até 350
m.n. (GONÇALVES, 2002).
Conforme Gonçalves (2002, p.2, grifo nosso):
O art. 56 da CNUDM reconhece os direitos de soberania do Estado costeiro “para fins de exploração e aproveitamento, conservação e gestão de recursos naturais, vivos ou não vivos, das águas sobrejacentes ao leito do mar, do leito do mar e de seu subsolo, e no que se refere a outras atividades com vista à exploração e aproveitamento da zona para fins econômicos, como a produção da energia a partir da água, das correntes e dos ventos.
Segundo Souza (1999), no artigo 60, parágrafo 1, esta Convenção reconhece
ainda que o Estado costeiro tem o direito exclusivo de executar, autorizar e
regulamentar a construção, operação e utilização de ilhas artificiais, instalações e
estruturas com finalidades econômicas e/ou científicas.
75
Observa-se nestes dois últimos artigos a preocupação de seus elaboradores com
relação à exploração econômica dos oceanos por parte dos países costeiros, inclusive
a produção de energia. Logicamente, conforme Gonçalves (2002), que tal exploração
deve ocorrer concomitamente com a proteção e preservação do meio marinho. Desde o
estabelecimento da CNUDM, então, várias nações trabalham no planejamento e
execução de políticas gerais para gestão e exploração de recursos oceânicos (WEC,
2001).
No Brasil, segundo Souza (1999), a CNDUM impulsionou a criação do Plano de
Levantamento da Plataforma Continental Brasileira (LEPLAC), cujo enfoque é a
delimitação da Plataforma Continental Jurídica Brasileira (PCJB). Outro programa
derivado da aceitação brasileira da CNDUM é o denominado Avaliação do Potencial
Sustentável de Recursos Vivos na Zona Econômica Exclusiva (REVIZEE). Segundo
Magalhães (2006) oficialmente este programa durou dez anos e terminou em setembro
de 2006, sendo substituído pelo Programa de Avaliação do Potencial Sustentável e
Monitoramento dos Recursos Vivos Marinhos na Zona Econômica Exclusiva
(REVIMAR).
Deste modo, se observa que o Governo brasileiro ainda não efetuou um programa
de levantamento sobre os recursos energéticos renováveis presentes na ZEE do país.
Assim, nesta parte do trabalho, pretende-se discutir sobre a possibilidade de
aproveitamento de sistemas OTEC em áreas limitadas por 05°N e 15°S pertencentes à
ZEE do Brasil.
8.2 LOCALIZAÇÃO DA ÁREA EM ESTUDO
O Brasil possui áreas de sua ZEE que estão geograficamente dentro dos limites
de 15°N a 15°S, propostos por Avery e Wu (1994), ou dos limites de 20°N a 20°S
indicados por NREL (2007) favoráveis ao uso de sistemas OTEC. Neste trabalho
optou-se pela primeira proposta. Na ZEE brasileira esses limites englobam águas das
costas Norte (05°N) e Nordeste e parte da costa Central (15°S) segundo divisão
proposta pelo REVIZEE ( Vide mapa 1).
76
A costa Norte inclui a região da ZEE brasileira que vai da foz do rio Oiapoque até
a foz do rio Parnaíba. A partir desse ponto até Salvador, incluindo Fernando de
Noronha, Atol das Rocas e o Arquipélago de São Pedro e São Paulo, tem-se a costa
Nordeste. A região compreendida entre Salvador e 15°S pertence a costa Central.
8.3 DESCRIÇÃO DA ÁREA EM ESTUDO
8.3.1 Aspectos meteorológicos
8.3.1.1 Circulação atmosférica
A área em estudo, especialmente a costa Nordeste e a parte da costa Central,
está sob influência do anticiclone semi-estacionário do Atlântico Sul (NIMER 10, 1989
apud ABAURRE et al., 2004.) resultante da ação da célula de Hadley, afetando o clima
do Brasil tanto no inverno quanto no verão. A partir desse anticiclone os ventos
divergem em várias direções. O principal sistema de ventos que chega até a costa
brasileira são os denominados ventos alísios que procedem basicamente de duas
direções: E-SE e NE (Fig.11). A região onde ocorre a mudança de direção dos ventos
alísios é chamada de Zona de Divergência (ZD), de maneira que a norte da ZD os
alísios são de SE, enquanto que ao sul da ZD os alísios sopram de NE. Esta zona
localiza-se em torno de 15°S, porém esta posição varia ao longo do ano. Na costa
Norte, além da influência do anticiclone do Atlântico Sul, de acordo com Santos e
Cohen 11 (1998 apud FRAZÃO, 2001 ), ocorre a atuação do anticiclone do Atlântico
Norte originando ventos alísios de nordeste. Os alísios provenientes do anticiclone do
Atlântico Sul alcançam predominantemente essa costa com direção E.
10NIMER, E. Climatologia do Brasil. Rio de Janeiro: Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, 1989.
11SANTOS, L. F. S; COHEN, J. C. P. Distribuição da nebulosidade coletada a bordo do navio
oceanográfico “Antares” na área norte do programa REVIZEE nos períodos chuvosos de 1995 e menos chuvosos de 1997. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 10., 1998, Brasília. Anais... Brasília: SBMT, 1998. p. [?].
77
Conforme Abaurre et al. (2004) junto à ação dos ventos alísios, massas polares se
misturam com o ar tropical movimentando-se ao longo das bordas oeste e sudoeste da
célula de alta pressão do Atlântico Sul originando frentes frias que se deslocam para as
costas Central e Nordeste, podendo alcançar 10°S ou latitudes mais baixas (Fig.11).
Para Aquino e Setzer (2005), outro sistema atmosférico importante para a região
em estudo é a Zona de Convergência Intertropical (ZCIT), que é basicamente uma
banda de nuvens formada principalmente pela confluência dos alísios de nordeste do
hemisfério norte com os alísios de sudeste do hemisfério sul. Para Santos e Cohen
11(1998 apud FRAZÃO, 2001), este sistema é altamente instável, caracterizado por
baixa pressão atmosférica, alta nebulosidade com chuvas associadas e altos índices de
umidade.
Figura 11: Circulação atmosférica na costa brasileira. Fonte: Adaptado de Dominguez
12( 1999 apud ABAURRE et al., 2004).
12DOMINGUEZ, J. M. L. Erosão costeira na região Leste-Nordeste do Brasil. 1999. 176f. Tese (Professor
Titular em Geologia Costeira e Sedimentar) - Departamento de Sedimentologia da Universidade Federal da Bahia, Salvador, 1999.
78
Com relação à atuação de ciclones, é importante salientar que não há atuação
direta destes na região em estudo, pois os ciclones extratropicais que alcançam a
região oceânica brasileira, o fazem pela costa Sul e em alguns casos seus efeitos
atingem a costa Central da ZEE brasileira. Contudo, em eventos raros, ciclones
tropicais enfraquecidos são intensificados por ciclones extratropicais no hemisfério norte
o que pode resultar em propagação de ondas com muita energia na direção sul rumo à
área em estudo (FILGUEIRAS, 2001).
8.3.1.2 Clima
A costa Norte apresenta clima do tipo tropical úmido ou superúmido com altas
taxas pluviométricas. Conforme Frazão (2001), no Maranhão a média pode ser superior
a 2000 mm/ano, com maior concentração de chuvas no período de março a agosto. Já
na zona costeira do Amapá e do Pará, segundo Silva (2000), o índice pluviométrico é
aproximadamente de 2500 mm/ano, podendo alcançar 3000 mm/ano no litoral do Pará
(ABREU, 2004), sendo que o período de maior concentração de chuvas se estende de
novembro a março. Conforme Clima (2007), utilizando a classificação de Köppen, a
região Norte apresenta predominância de clima equatorial dos tipos Af e Am ( Quente
sem estação seca e quente com estação seca na primavera, respectivamente), alem de
áreas com clima tropical Aw ( quente com chuvas de verão e outono).
Vários sistemas atmosféricos contribuem para o estabelecimento desse regime
climático na zona litorânea da costa Norte. Um deles é a presença e deslocamento
meridional da ZCIT que resulta em períodos chuvosos e menos chuvosos nessa área
(SANTOS; COHEN, 12 1998 apud FRAZÃO, 2001). Este sistema atmosférico é
primordial na precipitação pluviométrica ocorrente na ZEE-N, chegando até a influenciar
o setor norte da ZEE-NE (até Cabo Branco - PB) (AQUINO; SETZER, 2005). Segundo
Silva (2000), outro sistema que atua na faixa litorânea da costa Norte associado a alto
índice pluviométrico são as linhas de instabilidades (LI‟s), que se formam devido à brisa
marítima.
79
Apesar da vizinhança com a costa Norte, o clima verificado na costa Nordeste é
bastante diferente. Situada em área influenciada pelo anticiclone do Atlântico Sul, a
costa Nordeste apresenta características como poucas nuvens e precipitação escassa
(MONTES, 2003). Nesta área, conforme classificação de Köppen, há a predominância
do clima do tipo As (tropical quente e úmido, com estação seca no inverno) no litoral
oriental do Nordeste, onde os índices pluviométricos ficam em torno de 1600 mm/ano
(Clima, 2007) . No litoral do Rio Grande Norte é possível encontrar a ocorrência do
clima do tipo Bsh (Quente e seco, com chuvas de inverno), cujo índice pluviométrico
não excede 1000 mm/ano.
A distribuição espacial e temporal da precipitação pluviométrica na ZEE-NE, assim
como na ZEE-N, também é influenciada pelo deslocamento da ZCIT sobre a região.
Conforme Uvo (1998), o período de tempo em que a ZCIT permanece na sua posição
mais ao sul determina se estação chuvosa será úmida ou seca. Aquino e Setzer (2005)
relatam que nesta região há ainda a atuação marcante dos ventos alísios que sopram
de leste e de nordeste em direção à costa brasileira, ao longo de todo o ano, trazendo
umidade, contribuindo na formação de nuvens e, conseqüentemente, chuvas.
Por fim na parte da costa Central, no litoral da Bahia, desde os arredores de
Salvador em direção ao sul do estado, verifica-se o clima do tipo Af. Nesta área,
observa-se a influência dos ventos alísios de leste e nordeste em conjunto com frentes
polares que aí chegam para o estabelecimento do regime de chuvas.
8.3.2 Aspectos da plataforma continental
A plataforma continental brasileira compreendida entre o cabo Orange-AP e
Acaraú-CE (costa Norte/parte da costa Nordeste) é uma depressão estrutural e
topográfica extensa de bacias marginais mesozóicas, como a de Marajó, e da parte
norte da bacia do Maranhão. Advêm desse fato, suas características morfoestruturais
tais como grandes larguras (Tabela 4), declividades pequenas e reentrâncias na linha
de costa (PETROBRAS, 1979).
80
Observa-se que nessa região, a largura da plataforma continental acompanha o
relevo costeiro (PETROBRAS, 1979). O alargamento dessa feição fisiográfica em frente
ao Golfão Amazônico coincide com a depressão costeira existente. Para Muehe e
Garcez (2005), outro fator que colabora para esse alargamento é o aporte sedimentar
proveniente da descarga do rio Amazonas. Justamente nesse ponto a plataforma
continental brasileira alcança sua maior largura, cerca de 330 km com a quebra da
plataforma ocorrendo por volta de 105 m. A partir desse setor em direção tanto ao cabo
Orange quanto à região de Acaraú, verifica-se o estreitamento gradativo da plataforma
continental (Tabela 4) acompanhando a elevação da costa.
Tabela 4- Relação largura x profundidade da quebra de alguns locais da
plataforma continental norte brasileira
Local Largura
(km)
Profundidade da
quebra (m)
cabo Orange (AP) 133 105
foz do Amazonas 330 105
foz do rio Pará 259 77
Bragança (PA) 143 77
foz do rio Gurupi (MA) 203 85
baía do Tubarão (MA) 69 77
Acaraú (CE) 83 60
Fonte: Petrobras (1979).
A partir de Acaraú até o cabo Calcanhar (RN), a plataforma continental sofre
controle morfotectônico, evidenciado por lineamentos estruturais e morfológicos
proeminentes. Em alguns pontos sua largura é pequena, sendo a mínima de 19 km em
frente a Macau (RN) (PETROBRAS, 1979). O restante da costa Nordeste mais a parte
da costa Central em estudo também exibem plataforma continental mais estreita do
que aquela da região Norte (Mapa 4).
81
Mapa 4: Desenvolvimento da plataforma continental na área em
estudo. Fonte: Adaptado de Muehe e Garcez (2005).
Entre os fatores atribuídos para explicar esse fato, Summerhayes, Fainstein e Ellis
13 (1976 apud PETROBRAS, 1979) elencam a própria configuração estrutural desta
faixa de bloco sul-americano, além da dimensão restrita e o caráter tropical das bacias
de drenagem da faixa emersa adjacente que resulta em reduzidas taxas de erosão
terrestre e de sedimentação marinha. Deste modo, nessa área encontram–se trechos
como o entre Maceió-AL e foz do rio São Francisco, cuja largura da plataforma
continental varia entre 20 a 25 km, enquanto que no setor das proximidades de Aracaju-
SE a Salvador- BA a largura média da plataforma é a menor registrada, cerca de 22,5
km, inclusive com a ocorrência da menor largura da plataforma continental brasileira
que é de 8 km nas proximidades de Salvador (PETROBRAS, 1979), embora Muehe e
Garcez (2005) afirmem que o ponto de maior estreitamento tenha largura de 17 km.
13 SUMMERHAYES, C. P.; FAINSTEIS, R.; ELLIS, J. P. Continental margin off Sergipe and Alagoas, Northeastern
Brazil: a reconnaissance geophysical study of morphologhy and structure. Marine Geology. Amsterdam, n. 20, p.345-
361. 1976.
82
8.3.3 Aspectos oceanográficos
8.3.3.1 Formação de ondas
De modo geral, o sentido de movimentação de ondas oceânicas é reflexo da
direção de propagação dos ventos dominantes que as formam. Para Innocentini et al.
(2000), o litoral brasileiro pode ser dividido basicamente em quatro áreas. Neste item
será descrito brevemente apenas duas dessas áreas que compreendem a região da
ZEE brasileira em estudo.
A primeira área inclui toda a costa Norte e mais parte da costa Nordeste, indo do
Amapá até as proximidades de Natal- RN. Nesta área, as ondas incidentes são
formadas pelos alísios e apresentam altura abaixo de 1-1,5 m em mar aberto (Mapa 5).
Eventualmente, chegam ondas com período de 15-20 s provenientes de tempestades
formadas no extremo norte do Atlântico.
Mapa 5: Altura significativa e direção média de ondas no litoral norte (Análise do Modelo WWatch III – Atlântico para 30 de outubro de 2007 (00h)). Fonte: Sistema de previsão de ondas/UFRJ (2007).
83
A segunda área engloba o restante da costa Nordeste mais parte da costa Central
(de Natal até Vitória- ES) (Mapa 6). Ela é atingida por ondas que chegam geralmente
de nordeste, formadas pelos ventos do flanco esquerdo do anticiclone subtropical do
Atlântico Sul. Às vezes recebem pistas enormes com ventos de sudeste, formadas ao
longo de frentes polares, que se associam aos ventos alísios originando ondas de E-
SE. Conforme Abaurre et al. (2004), as ondas de N-NE chegam a zona costeira com
alturas de 1 m e períodos de 5 s ou menos, já as ondas de E-SE possuem alturas em
torno de 1,5 m e períodos de 6 a 7 s nesta zona.
Mapa 6: Altura significativa e direção média de ondas no litoral nordeste (Análise do Modelo WWatch III – Atlântico 30 de outubro de 2007 (00h)). Fonte: Sistema de previsão de ondas/UFRJ (2007).
8.3.3.2 Circulação superficial
Segundo Cirano et. al (2006), o sistema de correntes marinhas superficiais nessa
área esta associado ao Giro Subtropical do Atlântico Sul (mapa 7) resultante da ação
84
do Anticiclone atmosférico do Atlântico Sul, mencionado no subitem 8.3.1.1. Decorrente
dos efeitos dos alísios de sudeste, a Corrente Sul Equatorial (CSE) flui no sentido leste-
oeste, influenciando a ZEE- NE (MONTES, 2003). Ao sul de 10°S, a CSE se bifurca
originando a Corrente do Brasil (CB) e a Corrente Norte do Brasil (CNB).
A CB flui se movimenta para o sul ao longo da costa brasileira, com uma
temperatura média de 26°C (MONTES, 2003), indo até a zona de Convergência
Subtropical (38°S± 2°). Para Cirano et al. (2006), a CB pode ser definida como o fluxo
associado ao movimento da Água Tropical (AT) e Água Central do Atlântico
Sul (ACAS). Enquanto isso, a CNB segue no sentido noroeste rumo ao Equador,
influenciando a costa Norte.
Mapa 7: Representação esquemática do Giro Subtropical do Atlântico Sul. Fonte: Adaptado de Cirano et al. (2006).
A AT é resultante da radiação intensa e da evaporação excessiva em relação à
precipitação características do Atlântico Sul equatorial, sendo transportada para Sul
pela CB (CIRANO et al., 2006). Emilson 14 (1961 apud CIRANO et al., 2006)
caracterizou a AT por águas com temperaturas maiores do que 20°C e salinidades
14 EMILSON, I. The shelf and coastal waters off Southern Brazil. Boletim do Instituto Oceanográfico da
Universidade de São Paulo. São Paulo, n.17, vol.2, p.101–112. 1961.
85
acima de 36 ups. A ACAS, segundo Miranda 15(1985 apud CIRANO et al., 2006),
apresenta temperaturas superiores a 6°C e inferiores a 20°C, além de salinidades entre
34,6 e 36 ups. Sua origem se dá na zona de confluência da CB com a Corrente das
Malvinas. Segundo alguns autores como Brasil (1989) e Silva (2006), ocorre uma
intrusão em sub-superfície da Água Central do Atlântico Norte (ACAN) na costa Norte,
em região próxima ao Amapá.
Estas massas d‟águas podem ocupar níveis de profundidade diferentes ao longo
da costa em estudo, por isso uma representação por faixas isopicnais de suas
ocorrências seria mais realista. Porém para efeito de definição de limites generalizados
de profundidade, pode-se adotar níveis fixos conforme modelo proposto por Cirano et
al. (2006): 0 a 116 m para AT e, 116 a 657 m para ACAS. Neste trabalho também será
usado para fins de ilustração, níveis fixos de profundidade para as águas profundas
segundo valores propostos por Cirano et al. (2006).
Por sobre a plataforma continental, próxima a zona costeira, existe a Água
Costeira (AC), que possui salinidade próxima de 33 ups e temperatura superior a 28°C.
Conforme Silva (2006), ela é basicamente uma mistura das águas superficiais
oceânicas com fluxo de água continental que chega ao ambiente marinho. Deste modo,
sua presença é marcante em zonas costeiras que recebem aporte considerável de
descarga fluvial.
8.3.3.3 Circulação profunda
No Oceano Atlântico, a partir da região Antártica, origina-se a Água Antártica de
Fundo (AAF) (Fig.12), a massa d‟água mais fria e densa dos oceanos, constituindo-se
desta forma na camada de água mais próxima ao assoalho oceânico. Por sobre ela,
movimenta-se a Água Profunda do Atlântico Norte (APAN)
15 MIRANDA, L. B. Forma de correlação T-S de massa de água das regiões costeira e oceânica entre o Cabo de
São Tomé (RJ) e a Ilha de São Sebastião (SP), Brasil. Boletim do Instituto Oceanográfico da Universidade de
São Paulo. São Paulo, n.33, vol.2, p.105–119, 1985.
86
(Fig.12), cuja formação se dá pela junção de água proveniente do Ártico (Mar da
Noruega, Mar do Labrador e Mar de Irminger) com a água mais salgada e quente do
Mar Mediterrâneo (NESHYBA, 1987; THURMAN E TRUJILLO, 2004). Segundo Cirano
et al. (2006), na área em estudo, a APAN apresenta-se como um fluxo organizado,
movimentando-se para o sul ao longo do contorno oeste, cruzando a costa brasileira
com seu núcleo sempre atrelado à região do talude continental. Esta massa d‟água
ocupa níveis entre 1234 m e 3472 m de profundidade, exibindo temperaturas entre 3° e
4°C e salinidades variando de 34,6 a 35,0 ups.
A massa d‟água logo acima da APAN é conhecida como Água Intermediária
Antártica (AIA), pois ela separa a água superficial quente da água fria profunda (Fig.12).
Ela é proveniente da Zona de Convergência Antártica. Conforme Sverdrup, Johnson e
Fleming 16 (1942 apud CIRANO et al., 2006), seus limites são de 3°a 6°C para
temperatura e 34,2 a 34,6 ups para salinidade. A AIA move-se ao longo costa
brasileira, na direção do equador ao norte de 25°S, fluindo para o sul em 28°S
(MÜLLER et al. 17, 1998 apud CIRANO et al., 2006), ocupando os níveis entre 657 m e
1234 m.
Figura 12: Circulação oceânica simplificada do Oceano Atlântico. Fonte: Adaptado de Thurman e Trujillo (2004); Universidade Santa Cecília (2007).
16 SVERDRUP, H.U.; JOHNSON, M.W.; FLEMING, R.H. The oceans: their physics, chemistry and general biology. Englewood Cliffs, Prentice-Hall Inc. 1942. 1087 p. 17 MÜLLER, T.J.; IKEDA, Y.; ZANGENBERG, N.; NONATO, L.V.. Direct measurements of the western boundary currents between 20◦S and 28◦S. J. Geophys. Res. 103(C3): 5429–5437. 1998.
87
As figuras 13 e 14 ilustram a estrutura conjunta da circulação oceânica superficial e
profunda até a base da APAN na ZEE-N e ZEE-NE mais parte da costa Central,
respectivamente.
Figura 13: Estrutura simplificada de massas d‟águas presentes na costa Norte do Brasil. (A figura não está em escala). Fonte: Elaborado pelo autor a partir de dados de Cirano et al. (2006); Google Earth (2007); Silva (2006).
88
Figura 14: Estrutura simplificada de massas d‟águas presentes na ZEE-NE/parte da costa Central. (A figura não está em escala). Fonte: Elaborado pelo autor a partir de dados de Brasil (1987); Cirano et al (2006); Google Earth (2007).
8.4 GRADIENTES TÉRMICOS OCEÂNICOS NA ÁREA EM ESTUDO
Conforme já visto no item 5, os oceanos apresentam uma estrutura térmica
estável, com águas quentes superficiais e águas frias nas camadas mais profundas. Na
área em estudo, as águas mais superficiais (100-200 de profundidade) são constituídas
pela AC e AT (figuras 13 e 14). Segundo o modelo de Cirano et al. (2006), em relação
às águas profundas de 657 m até cerca de 3500 m, observa-se na área em estudo a
ocorrência de AIA e APAN (com a primeira massa d‟água apresentando temperaturas
entre 3 e 6°C e a última possuindo valores entre 3 e 4°C).
Medidas de temperatura feitas em trabalhos anteriores na área em estudo
indicam uma variação de aproximadamente 28°C na AC até valores próximos de 26
°C (superfície) ou menos (subsuperfície) na AT. Abreu (2004), em estudos feitos na
área compreendida pelas coordenadas de latitude 01°29‟06”N, 00°27‟29,88”N,
00°45‟59,76”N e 00°23‟30”S e longitudes 47°18‟57,6”W, 48°16‟48”W, 46°35‟16,8”W e
89
47°23‟42”W, verificou que a temperatura da água costeira oscilou entre 28,1 e 28,9°C,
enquanto que na AT o intervalo de temperatura encontrado foi de 24,8 a 27,9°C. Nos
estudos de Silva (2000) na região limitada por 1°53,58‟N e 2°17,35‟N e 48°55,02‟W e
48°00,86‟W, a temperatura superficial do mar (TSM) observada ficou entre 28,82 e
27,10°C. Frazão (2001) obteve valores de TSM variando de 28,60°C a 27,40°C na área
entre as latitudes de 0°80‟S e 2°20‟S e longitudes de 44°40‟W e 43°25‟W.
Em Brasil (1987) é relatada a observação de temperaturas de até 29,14°C na
superfície e de até 27,85°C na profundidade de 12 m em regiões da zona costeira da
Bahia entre as latitudes de aproximadamente 13° e 14°S e longitudes em torno de
38°30‟ e 38°40‟W. Por outro lado, Dardengo e Silva (1998), trabalhando com dados
pretéritos de parâmetros oceanográficos físicos da costa Central em condições de
primavera, encontraram uma TSM máxima de 26,5°C.
Em Silva, Araújo e Bourlès (2005), a análise de dados de três cruzeiros
oceanográficos, realizados na ZEE-NO entre 2,5°S e 7°N e 46°W e 51°W, indica as
presenças da AC com temperaturas entre 26 e 28,87°C e da AT com temperaturas
superiores a 18°C (Fig. 15). No trabalho citado, também foi encontrada a AIA que
apresentou temperaturas entre 4,92 e 5,90°C, sendo que seu topo, dependendo da
época e do ponto geográfico, podia ser encontrado em profundidades por volta de 400
a 600 m (Fig. 15). Montes (2003), baseado em dados das comissões ZEE-NE (I a IV)
mais os da Operação Nordeste III da Marinha brasileira, verificou que em áreas da ZEE-
NE entre as latitudes de aproximadamente 5° e 13°S, a TSM oscilou de 26,1°C
(inverno e primavera) a 29, 2 °C (outono). Montes (2003) também analisou a
temperatura na profundidade de 500 a 600 m, encontrando valores em torno de 9 a
14°C.
90
Figura 15: Distribuição vertical das massas de água ao longo do transecto Perfil (A/S) durante o período de descarga mínima do rio Amazonas. Fonte: Silva, Araújo e Bourlès (2005).
Em determinado perfil feito na Operação Nordeste III, verificou-se que a
temperatura do mar à profundidade de 20 a 40 m ficava em torno de 27 a 28°C,
caracterizando a presença da AT, enquanto por volta de 600 a 700 m, iniciava-se a AIA
com temperaturas próximas de 5°C (BRASIL, 1986). Já na Operação Pavasas I, em
certo perfil, foi observado que a 50 m de profundidade a temperatura variava de 26 a
28,25°C, ao passo que perto da profundidade de 600 m, ela se aproximava de 6°C
(BRASIL,1989a). Em outra iniciativa da Marinha do Brasil, determinado perfil da
Operação Monitor III indicou a temperatura de 26°C ocorrendo na superfície até cerca
de 80 m de profundidade, e a temperatura de 5°C presente em profundidades logo
abaixo de 700m (BRASIL, 1989b).
Em Bahia (2003), foi realizada uma distribuição vertical de temperatura baseada
em dados do Banco Nacional de Dados Oceanográficos relativos ao período de 1952 a
1988. A área de localização dessa distribuição é o litoral norte do Estado da Bahia,
91
envolvendo a plataforma continental e suas vizinhanças entre as latitudes de
aproximadamente 11°40‟S e 13°07‟S. Observa-se pelo gráfico 8 que a TSM máxima
ficou perto de 28,5°C- 29°C, enquanto que por volta de 600-700 m de profundidade, a
temperatura atingiu 5°C.
Gráfico 8: Distribuição vertical de temperatura oceânica no litoral norte do Estado da Bahia e suas vizinhanças. Fonte: Bahia (2003).
Desta maneira, os dados expostos acima tendem a corroborar os dados
fornecidos no mapa 2 por NREL (2007) de que na costa brasileira em estudo podem
existir diferenças de temperatura de 22 a 24°C entre as águas superficiais e águas no
nível de profundidade de 1000 m. Cirano et al. (2006) obtiveram resultados
semelhantes ao aplicarem o modelo OCCAM para analisar a circulação oceânica na
região oeste do Atlântico Sul como pode ser observado nos mapas 8 e 10, cujos
valores modelados foram próximos dos observados que constam do banco de dados do
National Oceanographic Data Center (NODC) do Governo americano (Mapas 9 e 11).
Cirano et al. (2006) escolheram como profundidade do núcleo da AT o nível de 52
m, encontrando valores máximos de temperatura próximos de 26°C entre as latitudes
de 10°S e 15°S. Menezes (1999) estudou a variação de temperatura superficial do mar
92
(TSM) em área compreendida por 40°/50°W-20°W e 2°N-10°S, a qual denominou de
Atlântico Tropical Oeste (ATO), durante o período de 1978 a 1986 e concluiu que as
temperaturas mantêm-se elevadas e variam pouco ao longo do ano, aproximadamente
em 1°C (gráfico 9). Para a AIA, Cirano et al. (2006) escolheram como profundidade do
núcleo desta massa d‟água o nível de 989 m que apresentou a temperatura máxima
próxima de 4°C na costa brasileira.
Mapa 8: Temperatura da AT a 52 m de profundidade obtida pelo modelo OCCAM para a região oeste do Atlântico Sul. Fonte: Cirano et al. (2006).
93
Mapa 9: Temperatura anual na superfície do Atlântico Sul/parte do Atlântico Norte. Fonte: Adaptado de Locarnini et al. (2006).
Gráfico 9: Variação da TSM na região ATO (1978-1986). Fonte: Adaptado de Menezes (1999).
94
Mapa 10: Temperatura da AIA a 989 m de profundidade. obtida pelo modelo OCCAM para a região oeste do Atlântico Sul. Fonte: Adaptado de Cirano et al. (2006).
Mapa 11: Temperatura anual do Atlântico Sul/parte do Atlântico Norte à profundidade de 1000m. Fonte: Adaptado de Locarnini et al. (2006).
95
Dada a disposição da plataforma continental na região em estudo vista no item
8.3.2, observa-se que as isóbatas em torno de 1000 m estão bem mais afastadas da
linha de costa na ZEE-NO do que na ZEE-NE/parte da costa Central (mapa 12). Deste
modo, diferenças de temperatura de 20°C ou mais entre as águas superficiais e águas
à profundidade de 1000 m ocorrem mais próximas a linha de costa da segunda área.
Como dito antes no subitem 8.3.3.2, massas d‟águas tendem a não ocupar níveis
fixos de profundidade, assim, segundo Almeida (2007), a diferença de temperatura de
20°C na ZEE-NE/parte da costa Central pode até mesmo ser encontrada entre as
águas superficiais e águas à profundidade de cerca de 500 m. Enquanto em Brasil
(1986, 1989b), como visto neste 0subitem, foi relatado que essa diferença pode ser
observada entre a superfície e profundidades entre 600 a 700 m. Já com relação à
costa Norte, Silva; Araújo; Bourlès (2005) encontraram o topo da AIA a 500 m de
profundidade em média em certas localizações e épocas do ano.
Mapa 12: Relevo submarino da região oeste do Atlântico Sul até a latitude de 15°S (Projeto LEPLAC). Fonte: Adaptado de Torres et al. (2003).
96
8.5 POSSÍVEIS IMPACTOS AMBIENTAIS NA ÁREA EM ESTUDO
Ao se fazer análise de impactos ambientais decorrentes do funcionamento de
sistemas OTEC, deve-se levar em consideração o fato de que tais sistemas ainda não
foram testados em grande escala por um longo período de tempo. Tampouco isso seria
desejável sem ao menos o conhecimento prévio de limites teóricos aceitáveis para tais
impactos que segundo Sands (1979) podem modificar a qualidade da água, do solo e
do ar. Deste modo, especialmente nos EUA, vários relatórios já foram produzidos a
respeito desse assunto e, segundo Club des argonautes (2006) uma ferramenta
importante para avaliação desses impactos é o emprego de modelos computacionais
para simulação de vários cenários de acordo com o porte e a finalidade do sistema
OTEC.
Na zona costeira adjacente à área em estudo existe uma diversidade de
ambientes de alta relevância ecológica que na costa Norte inclui manguezais
exuberantes, matas de várzeas de marés, campos de dunas, praias, (BRASIL, 2007)
além de algumas áreas de restingas como as descritas por Bastos; Senna; Costa Neto
(2002). Na zona costeira adjacente à ZEE-NE/parte da costa Central em estudo
encontram-se dunas, manguezais, restingas, matas (BRASIL, 2007) e falésias (BRASIL,
2007; MUEHE, 2003). Segundo Muehe (2003) essa área vem sofrendo com ocupação
desordenada e utilização econômica sem critérios que tendem a levar à degradação
dos ecossistemas presentes.
Caso a opção escolhida de sistema OTEC seja o do tipo instalado no continente,
ele poderá contribuir para essa degradação e, no caso de haver atividades que
aproveitem sub-produtos OTEC, como maricultura, esse risco será ainda maior,
quando tal atividade é feita em desacordo com normas ambientais. Um sistema OTEC
desse tipo também pode afetar o acesso da população a áreas de recreação, além de
provocar impacto visual na paisagem. A área pretendida para a instalação do sistema
pode conter sitos arqueológicos ou paleontológicos de modo que o processo deve ser
conduzido de acordo com legislação vigente sobre a questão para não haver danos aos
mesmos. Finalmente, o assentamento de um longo e grosso tubo para captação de
97
água do mar pode afetar comunidades bentônicas, além de interferir na circulação de
sedimentos no local podendo causar erosão (BEAVIS; CHARLIER; MEYER, 1986).
Os sistemas OTEC instalados na plataforma continental podem afetar
comunidades bentônicas presentes no local de sua instalação, como recifes de corais.
Conforme Wilde (1981), a energia elétrica produzida nestes sistemas pode ser levada
para o continente por meio de um cabo submarino, havendo necessidade de avaliação
de seu impacto em ecossistemas marinhos no assoalho oceânico e na zona costeira.
Estes sistemas podem indiretamente afetar os ambientes da zona costeira, visto que
chegando à zona costeira, a energia elétrica poderia ser utilizada por algum tipo de
indústria que, então, poderia causar impactos nos ambientes costeiros. Se a energia
elétrica não fosse usada na zona costeira e sim conduzida continente adentro, seriam
necessárias torres de transmissão de energia que poderiam ter algum efeito danoso
nos ambientes costeiros.
Tanto sistemas OTEC flutuantes quanto o do tipo instalado na plataforma
continental podem ao invés de fornecer energia elétrica, produzir químicos como o
hidrogênio combustível. Assim, seria necessária a construção de portos de
desembarque ou que locais sejam adaptados para essa operação na zona costeira.
Sistemas OTEC também podem afetar a composição atmosférica. Conforme
Biague (2006) no caso de sistemas de ciclo fechado, CO2 presente na água do mar
profunda é passível de ser liberado quando ela é aquecida no condensador. Em
sistemas de ciclo aberto, os gases presentes na água do mar são separados da mesma
no desaerador a fim de não reduzir a eficiência do sistema, podendo ser liberados
diretamente para atmosfera. A longo prazo, a composição atmosférica na vizinhança iria
se modificar podendo alterar o microclima local (WILDE, 1981). Contudo o lançamento
desses gases poderia ser feito abaixo da camada superficial misturada, minimizando
esse problema. Já Vega (1999) afirma que a liberação de CO2 pelo funcionamento de
um sistema OTEC, tanto de ciclo aberto quanto de ciclo fechado, é menor do que
aquela proveniente da operação de usina a combustível fóssil.
Outros impactos dependem do tipo de ciclo escolhido. Por exemplo, em sistemas
de ciclo fechado ou ciclo misto pode ocorrer vazamento acidental do fluido de trabalho
para o ambiente (JONES; RUANE, 1977; LEVRAT, 2004; SMITH, 1987, WILDE, 1981).
98
Conforme Smith (1987), o fluido de trabalho pode agir como biocida para os peixes
locais bem como para a população planctônica. Levrat (2004), embora sem apontar
dados quantitativos, destaca que essa ação prejudicial ao ecossistema só ocorreria
caso a quantidade do fluido de trabalho liberado para o ambiente marinho fosse
considerável. Deste modo, tubos de material apropriado para circulação do fluido de
trabalho além de manutenção preventiva do sistema OTEC minimizariam esse risco.
Se o ciclo escolhido for o aberto ou misto e havendo interesse na produção de
água dessalinizada, uma questão a ser levantada é destino dos resíduos químicos
resultantes dessa operação. Segundo Pantell et al.(1993) efluentes de usinas de
dessalinização podem conter além dos sais marinhos, substâncias como biocidas,
substâncias anti-formação de escamas e outras usadas na limpeza das tubulações.
Desta forma o processo de dessalinização a partir de um sistema OTEC precisa ser
avaliado quanto à natureza dos efluentes para a escolha de tratamento adequado antes
dos mesmos serem lançados no ambiente, sob pena de prejuízos ao ecossistema
marinho local.
No item 6.3 foi relatado o uso de agente anti-incrustante nas estruturas de
sistemas OTEC, principalmente para impedir a redução da eficiência dos permutadores
de calor em sistemas de ciclo fechado. Wilde (1981) afirma que dependendo da
concentração desses biocidas, seu lançamento no ambiente marinho pode afetar os
organismos presentes. Esse risco é aumentado quando o anti-incrustante usado é o
cloro e fluido de trabalho é a amônia. No caso de combinação acidental dessas duas
substancias, ocorre sinergia entre ambas originando compostos ainda mais tóxicos para
os organismos existentes no meio. Contudo Vega (1999) afirma que a quantidade de
cloro utilizada em sistemas OTEC é inferior a 10% dos limites (máximo de 0,5 mg/l) da
Agencia de Proteção Ambiental (EPA) do Governo americano.
Outro impacto ao ambiente marinho a ser considerado é a possibilidade de íons
metálicos e partículas de escama provenientes de corrosão nos permutadores de calor
(SANDS, 1979; VEGA, 1999; WILDE, 1981). Para Wilde (1981), estes íons e partículas
poderiam ter efeitos tóxicos diretos sobre organismos marinhos ou de longo prazo
através da sua incorporação ao seu suprimento alimentar particulado de modo a sofrer
bioacumulação nesses organismos.
99
Conforme Wilde (1981), um sistema OTEC no meio marinho, à semelhança de um
recife artificial, atrairá uma variedade de organismos. Os efeitos a longo prazo irão
depender dos tipos, tamanho e abundância de organismos atraídos ou fixados nas
estruturas do sistema o que afetaria a população local. Efeitos regionais na população
também podem ocorrer pela interferência ou modificação tanto de hábitos de refúgio
quanto de rotas de migração.
O impacto de maior preocupação de um sistema OTEC está relacionado aos
grandes volumes de água do mar necessários para seu funcionamento (BIAGUE, 2006;
ROSE, 1985; SMITH, 1987; VEGA, 1999; WILDE, 1981). Após a passagem desse
volume de água pelo sistema OTEC, ele terá de ser liberado no ambiente, seja através
de uma tubulação única onde água do mar fria e água do mar quente fluem misturadas,
seja através de tubulações especificas para cada uma. Parâmetros oceânicos, como
temperatura, salinidade, oxigênio dissolvido, carbonatos, particulados e assim por
diante, da área da liberação da água utilizada sofrerão modificações (WILDE, 1981).
Sabendo-se que os organismos marinhos estão adaptados a certos valores
desses parâmetros, esta variação pode causar efeitos danosos sobre o seu
desenvolvimento. Por exemplo, na costa Nordeste/parte da costa Central, existem
formações recifais importantes, inclusive com espécies endêmicas brasileiras (MAIDA;
FERREIRA, 2004), adaptadas a certos valores de temperatura e luminosidade que
sofreriam com essa variação de parâmetros oceanográficos.
As águas oceânicas profundas possuem grandes quantidades de nutrientes.
Assim a redistribuição desses elementos na camada fótica precisa ser avaliada, pois se
por um lado essa bioestimulação poderá ser benéfica levando a um aumento do
estoque de pescado, ela também poderá originar um florescimento algal excessivo de
modo a eliminar outras espécies da área, além de agravar o problema de
bioincrustação no sistema OTEC (JONES; RUANE, 1977). Por fim, metais traços
oriundos de outras profundidades podem ter efeitos tóxicos sobre espécies ocorrentes
no local de lançamento da água do mar usada no sistema OTEC (WILDE, 1981).
Várias espécies marinhas não terão capacidade natatória suficiente para se
livrarem da sucção do bombeamento da água do mar de modo que sofrerão colisão ou
aprisionamento nas estruturas da usina OTEC (JONES; RUANE, 1977; ROSE,
100
1985; SMITH, 1987; VEGA, 1999; WILDE, 1981). Organismos sugados sofrerão
colisão com telas existentes para evitar entupimento na tubulação de entrada de água
do mar. Os que passarem pelas telas serão aprisionados no fluxo de água dentro da
usina OTEC, onde sofrerão abrasão mecânica, variações de temperatura e pressão,
além de cloração proveniente do tratamento anti-incrustante.
A mortalidade dos organismos nesses processos é estimada em valores próximos
de 100% (SANDS 18, 1980 apud ROSE, 1985; SMITH, 1987). Segundo Smith (1987)
levando em conta que larvas e ovos de peixes e de outras espécies junto com
organismos planctônicos adultos estão presentes nas camadas quentes superficiais,
essa mortalidade é um grande problema especialmente em áreas com alta
produtividade biológica como segundo Muehe e Garcez (2005) é a costa Norte.
Para Rose (1985) existe ainda o que ele chama de aprisionamento secundário.
Certa quantidade da água do mar presente na área de lançamento da água usada pelo
sistema OTEC, através de mistura turbulenta, se tornará parte da pluma de descarga.
Organismos podem ser capturados nesta pluma e sentirem os efeitos da variação de
temperatura e de cloro residual.
Finalmente, há uma questão que extrapola o nível regional, embora com possíveis
reflexos nele, que precisa ser avaliada num foro apropriado se no futuro usinas OTEC
forem largamente utilizadas nos oceanos. Devido aos grandes volumes de água do mar
utilizados nos sistemas OTEC, é preciso limitar o numero dessas usinas e/ou o volume
usado de água por elas sob pena de comprometimento da circulação termohalina
oceânica. Conforme Club des argonautes (2006), a literatura técnica aponta o valor de
10 TW como potência elétrica teórica global dos sistemas OTEC o que levaria ao
bombeamento de 25 Sv19 de água do mar fria. Este valor é próximo daquele resultante
de todas as ocorrências de ressurgência natural (30 Sv). Assim o pleno uso dessa
capacidade teórica de potência teria efeitos sobre a dinâmica do oceano e sua
interação com a atmosfera trazendo conseqüentes impactos para os padrões climáticos
18 Sands, M. D. Ocean thermal energy conversion (OTEC) programmatic environmental analysis. Berkeley:
Lawrence Berkeley Laboratory, 1980. vol. 1. 213 p.
19 1Sv=10
6 m
3/s
101
globais podendo afetar regionalmente cada área de exploração de sistemas OTEC e
suas vizinhanças.
Finalmente, não se pode esquecer que essas usinas serão operadas por técnicos,
de forma que haverá efluentes sanitários e resíduos alimentares que precisam ser
corretamente descartados.
Resumindo, grosso modo, é possível afirmar que os impactos provocados por
usinas OTEC poderiam levar a um conflito de interesses de uso da área com a
atividade pesqueira e/ou a mudanças em padrões climáticos locais ou globais. Contudo
medidas mitigadoras desses impactos podem ser implantadas, tais como a instalação
de sistemas OTEC em ambientes pouco produtivos biologicamente (SMITH, 1987), bem
como o lançamento das águas utilizadas em profundidades adequadas (WILDE, 1981),
além de um espaçamento mínimo entre as usinas e limitação da sua potência máxima
(AVERY; WU, 1994).
9 DISCUSSÃO
Uma vantagem do sistema OTEC sobre a maior parte das energias renováveis é
que ele pode funcionar de maneira contínua, pois, o recurso termal dos oceanos
garante que esta fonte de energia esteja disponível dia e noite, com pequenas
variações do verão para o inverno (AVERY; WU, 1994; WORLD ENERGY COUNCIL,
2001). Do ponto de vista puramente termodinâmico, é inegável o potencial teórico da
OTEC para suprir ao menos parcialmente as demandas energéticas crescentes da
sociedade industrial.
Entretanto as estimativas desse potencial vêm sofrendo correções ao longo do
tempo. Como foi visto na tabela 1 no item 4, Constans1 (1979 apud Neshyba,1987)
indica o fabuloso valor de 40.000 TW. Este valor, no entanto, foi reduzido à medida que
outros trabalhos sobre o assunto foram realizados. Nihous (2005 20; 2007 21 apud
20 NIHOUS, G. C. An order-of-magnitude estimate of Ocean Thermal Energy Conversion
(OTEC) resources. Journal of Energy Resources and Technology. Estados Unidos, v. 4, n.127, p. 328-333. 2005. 21
NIHOUS, G. C.. A preliminary assessment of Ocean Thermal Energy Conversion.(OTEC) resources. Journal of Energy Resources and Technology. Estados Unidos, v. 1, n.129, p.10-17. 2007.
102
NIHOUS 3, em fase de elaboração) através de pesquisa bibliográfica observou que a
potência disponível a partir da tecnologia OTEC fica entre 10 e 1000 TW. Conforme
visto no item 8.5, Club des argonautes (2006) relatou o valor teórico disponível de 10
TW, porém limites técnicos, econômicos e principalmente ambientais diminuem esse
valor para 3 TW.
Para uma correta avaliação da disponibilidade desse recurso, Nihous 3 (em fase de
elaboração) afirma que modelos do tipo Ocean General Circulation Model (OGCM), como
o usado por Cirano et al. (2006), são adequados para tal objetivo. Contudo, modelos
unidimensionais mais simples constituídos de caixas-múltiplas também podem ser
utilizados, enquanto sistemas OTEC não forem empregados em larga escala. Desta
maneira, usando um modelo do último tipo, Nihous 3 (em fase de elaboração) concluiu que
para o Atlântico Tropical do Hemisfério Norte, o valor disponível de potência máxima
líquida por unidade de área é igual a 83 kW/km2, superior a média mundial de 27 kW/km2.
Estes valores são inferiores a 190 kW/km2 proposto por Avery e Wu (1994) para que o
funcionamento de usinas OTEC não cause grandes impactos ao ambiente marinho.
Como se pode observar a partir dos dados de temperatura no item 8.4, do ponto
de vista termodinâmico a área em estudo apresenta possibilidade de aproveitamento da
tecnologia OTEC, em concordância com afirmação de Beorse em 1978, que
recomendava a construção de usinas OTEC no Brasil (JOHNSON, 2006). Contudo, não
existe um estudo sobre a potência OTEC líquida disponível por unidade de área na
região em estudo. Desta maneira, pode-se apenas fazer um calculo aproximado da
potência líquida total dessa área, a partir das informações encontradas na literatura.
A área da ZEE brasileira é igual a 3.500.000 km2; supondo que área da costa
Norte mais a área da costa Nordeste/parte da costa Central em estudo corresponda a
metade desse valor, então, teríamos: 1.750.000 km2 disponíveis para sistemas OTEC.
Utilizando-se valores próximos daqueles fornecidos por Nihous 3 (em fase elaboração),
encontraríamos os seguintes limites de potência total líquida disponível:
Limite mínimo 1.750.000 km2 x 30 kW/km2 = 52,5 GigaWatts (GW);
Limite máximo 1.750.000 km2 x 80 kW/km2 = 140 GW.
Entretanto há empecilhos para o pleno uso desse recurso energético. Por
exemplo, os impactos já descritos no item 8.5, resultantes de sistemas OTEC e das
103
estruturas de um possível aproveitamento de sub-produtos instalados no continente
devem reduzir o número de local apropriado para essa atividade. Porém, o maior
impedimento para que este tipo de sistema OTEC seja instalado na área em estudo é a
distância da linha de costa para os locais com diferenças de temperatura apropriada
para funcionamento de sistemas OTEC que para Crews (1998) tem de ser no máximo
de 10 km por causa do custo com o CWP. Outros autores sugerem que ela deve ser no
máximo de 3 km. Conforme PETROBRAS (1979) apenas nas vizinhanças de Salvador
a plataforma continental se estreita para valores inferiores a 10 km, de modo que nesta
região há possibilidade de ocorrência de diferença de temperatura adequada dentro do
limite de distância proposto por Crews (1998).
A alternativa técnica para esse problema é o sistema OTEC instalado na
plataforma continental ou do tipo flutuante. Porém, mesmo assim, na costa Norte, a
rasa e muito larga plataforma continental impede ou no mínimo dificulta que as
diferenças de temperatura adequadas para aproveitamento OTEC encontrem-se numa
distância viável economicamente, 25 km segundo NREL (2007), para o transporte de
energia (química e/ou elétrica). Estas grandes distâncias também encareceriam o
transporte dos técnicos necessários para operação e manutenção desses sistemas.
Aliada a essa grande distancia, fatores como a forte hidrodinâmica da plataforma
continental amazônica e a presença de extensas áreas de sedimentos lamosos nesse
setor dificultariam a implantação de sistemas OTEC a serem fixados no substrato da
plataforma e do cabo submarino de transmissão de energia elétrica. Além do mais,
como viso item 8.5, Muehe e Garcez (2005) apontam a costa Norte como uma área, de
modo geral, de grande produtividade biológica. Desta forma, a operação de sistemas
OTEC nessa região implicaria em possíveis impactos ambientais, já descritos no item
8.5, nos organismos marinhos.
A costa Nordeste/parte da costa Central em estudo possui diferenças de
temperatura adequadas para operações OTEC mais próxima da linha de costa que a
ZEE/N, possibilitando o uso de usinas instaladas na plataforma continental ou do tipo
flutuante. Isso diminuiria os custos com o transporte da energia dos sistemas OTEC
para os usuários no continente e do transporte de pessoal para operação/manutenção
dos sistemas. Em termos de produtividade biológica, essa área é de modo geral
104
considerada oligotrófica. Montes ( 2003 ) estudando a ZEE brasileira entre 5°S e 14°S
concluiu que a região apresenta baixa produtividade de biomassa primária. Todavia,
existem áreas de ressurgências com grande valor pesqueiro como as descritas por
Okuda e Cavalcanti 22(1963 apud MONTES, 2003) a nordeste de Natal-RN. Já Muehe e
Garcez (2005) consideram que o setor de maior valor pesqueiro desta área está
localizado na ZEE adjacente ao Piauí, Ceará e à região norte do rio Grande do Norte
(Noroeste do cabo Calcanhar).
Assim, aparentemente a área mais apropriada para instalação de sistemas OTEC
na área em estudo está de acordo com a sugerida por Takahashi e Trenka23 (1996
apud CREWS, 1998) que compreende um setor com extensão de 1.100 km do norte de
Natal-RN ao sul de Salvador-BA.
Portanto, os cálculos aproximados sobre a potência líquida disponível na área em
estudo precisam ser refeitos:
Área disponível: 1.100 km x 200 m.n. x 1, 852 km/m.n. = 407.440 km2.
Limite mínimo: 407.440 km2 x 30 kW/km2 ≈ 12,2 GW.
Limite máximo: 407.440 km2 x 80 kW/km2 ≈ 32,6 GW.
Estes valores são cerca de um quarto dos limites calculados baseado apenas no
ponto de vista termodinâmico. Mesmo assim, tomando como referência o limite máximo
calculado, a potência disponível é maior que um terço da capacidade instalada das
centrais de geração de energia elétrica do Brasil em 2005 (93,2 GW), incluindo centrais
de serviço público e autoprodutoras segundo dados de Brasil (2006).
Deste modo, teoricamente, o potencial OTEC na área em estudo não é irrelevante.
Porém, como pode ser observado no item 6.3, o grande obstáculo a ser superado é o
de ordem econômica. O custo de instalação de um sistema OTEC é de 6 a 7 milhões de
US$ de 1999 segundo a tabela 3 para uma usina de 1 MW de potência bruta, com o
custo da eletricidade gerada igual a 189 US$ de 1999/MWh, que transformado para
reais, com o cambio atual e sem levar em conta a taxa de depreciação do dólar,
resultaria em R$328,3 /MWh.
22 OKUDA, T; CAVALCANTI, L. B. Algumas condições oceanográficas na área Nordeste de Natal. Trabalhos do Instituto Oceanográfico. Recife, v. 3-4, n. 1, p. 3-25. P. 1963.
23 TAKAHASHI, P.; TRENKA, A. Ocean Thermal Energy Conversion. Nova Iorque: John Wiley & Sons , 1996. 96 p.
105
Considerando que o custo da tabela 3 se repetisse nas condições brasileiras, ele
seria maior que aquele de outras fontes de energia elétrica possíveis no Brasil: R$120 a
R$130/MWh para a hidroeletricidade, R$175 a R$190/MWh para gás natural com ciclo
combinado, R$ 190/MWh com o uso de diesel (NAVARRO, 2006); R$133/MWh usando-
se carvão mineral (LEAL, 2007) e R$121,6 a R$139/MWh utilizando-se energia eólica
(CENTRO BRASILEIRO DE ENERGIA EÓLICA, 2007). Contudo conforme Kobayashi
(2002), uma usina OTEC de 50 MW de potência bruta teria um custo de eletricidade
gerada de cerca de R$137,2/MWh, o que seria competitivo com os valores
anteriormente relatados. Além do mais, numa outra perspectiva de regulação de
mercado, se no uso de combustíveis fósseis pudessem ser incluídos seus custos
ambientais, o preço de mercado desses recursos seriam maiores (AVERY; WU, 1994).
Finalmente sistemas OTEC poderiam ser beneficiados através de mecanismos como o
crédito de carbono (TAKAHASHI, 2003).
Para efeito de comparação com o custo da energia das marés, pode-se levar em
conta um estudo feito em 2002 pela empresa BC Hydro que concluiu que o custo da
energia maremotriz variava de R$189 a R$430/MWh, com expectativa de queda no
valor para R$86 a R$120,4/MWh, à medida que ocorra o desenvolvimento desta
tecnologia (MARTIN, 2004). Através de correio eletrônico, o pesquisador da COPPE,
Eliab Beserra (2007), informou que o custo da energia esperado para a usina de ondas
a ser instalado no porto de Pecém (CE) é de R$177,16/MWh (convertido de dólares
para reais). Este pesquisador ressalta que para uma comparação mais apropriada de
diferentes fontes de energia deve se levar em conta alguns fatores, como: taxa de
retorno, prazo de amortização para o investimento e ainda o fator de capacidade anual
do vetor energético.
Assim, a princípio, a aplicação mais viável a curto prazo para a tecnologia OTEC
na ZEE do setor Natal-Salvador seria o fornecimento de água dessalinizada para
abastecimento de atividades comerciais, residenciais, industriais ou agrícolas, e/ou
suprimento de água do mar profunda para aqüicultura. Sociedade Brasileira para o
Progresso da Ciência (2002) relata que água do Oceano Atlântico poderia abastecer as
cidades costeiras e toda a faixa situada a até 200 km do litoral nordestino. Isto permitiria
106
que a água hoje utilizada nas grandes cidades do nordeste pudesse ser usada no
Semi-Árido.
Sistemas OTEC para essa finalidade não forneceriam eletricidade; a energia
produzida serviria apenas para bombeamento da água do mar e da água dessalinizada.
Deste modo, estes sistemas poderiam operar com menor diferença de temperatura
entre o evaporador e o condensador do que aquela necessária para uma usina OTEC
geradora de eletricidade como descrito em Johnson (2006); Vega, (1999). Neste caso,
haveria diminuição de custos com a necessidade de tubulações menores.
A longo prazo, um mercado para a potência OTEC disponível na ZEE do setor
Natal-Salvador, poderia ser a obtenção de produtos como amônia para fertilizantes, ou
combustíveis como hidrogênio. Van Ryzin et al. (2005) concluíram que sistemas OTEC
são os mais viáveis técnica e ambientalmente para a produção em larga escala de
hidrogênio combustível. Neste estudo, estes autores afirmam que a produção anual de
40 milhões de toneladas desse combustível necessitaria de uma potência de 216 GW a
partir de sistemas OTEC. Assim, esta área em estudo tem possibilidades de tomar parte
num futuro mercado de hidrogênio combustível.
Por último, um sistema de co-geração OTEC/usina a carvão poderia dar uma
utilidade para plataformas abandonadas de petróleo, onde a usina a carvão seria a
principal geradora de potência, enquanto o sistema OTEC ficaria responsável pelo
seqüestro de CO2 (MASUTANI; TAKAHASHI,24 1998 apud TAKAHASHI, 2003). Dentro
dessa perspectiva, estudos poderiam ser feitos para verificar a viabilidade técnica,
financeira e ambiental de que apenas sistemas OTEC fossem adaptados nas
plataformas abandonadas.
24 MASUTANI, S.; TAKAHASHI, P. Proceedings of the International Ocean Alliance Floating Platform
Summit, for the Hawaii State Legislature, Honolulu, 3-5 dez. 1998.
107
10 CONCLUSÕES
No cenário mundial, as áreas mais promissoras para implantação de sistemas
OTEC estão localizadas na região do Pacífico Oeste. Comercialmente ainda não está
estabelecido um tipo padrão para sistemas OTEC, contudo, pela possibilidade de
redução de gastos com a produção em grande escala, a escolha deverá ser por
sistemas flutuantes. Quanto ao ciclo do fluido, a opção dependerá, embora não
exclusivamente, do desejo ou não de se ter água dessalinizada como subproduto do
sistema.
Para efetivar uma transição de fase de testes para uma fase comercial de
sistemas OTEC, investidores públicos ou privados deveriam se informar sobre o
trabalho do Natural Energy Labortatory of Hawaii Authority (NELHA) e do Institute of
Ocean Energy of Saga University (IOES), além de empresas privadas como OCEES
International, Inc..
No Brasil, faz- se necessário pesquisas não somente sobre o potencial OTEC,
bem como de outros tipos de recursos energéticos oceânicos e suas limitações. Uma
boa proposta nesse sentido é a de um Programa Nacional de Energias Renováveis do
Mar, defendido pelo pesquisador Segen Estefen da COPPE (Furtado, 2006). Neste
programa, seriam mapeados os recursos da costa e do mar territorial brasileiro, além
disso, haveria estímulo a cooperação com a indústria elétrica. Neste trabalho de
conclusão de curso, defende-se, apenas, que a área de investigação desses recursos
inclua também a ZEE.
Devido às limitações técnicas, econômicas e ambientais, não se deve encarar
sistemas OTEC como a única fonte alternativa de energia renovável para o Brasil. Ela
deve ser uma opção dentre um conjunto de outras fontes possíveis. Para a correta
avaliação da potência elétrica líquida disponível a partir de sistemas OTEC nas
condições oceanográficas da ZEE em estudo é preciso o desenvolvimento de modelos
numéricos para este fim, além de medições de temperatura na área em estudo para a
correta calibragem dos modelos.
108
Por ora, devido o desenvolvimento tecnológico atual desses sistemas
(especialmente o baixo rendimento) e seu custo, provavelmente, eles não seriam
utilizados para a produção de energia elétrica na área em estudo, a não ser, talvez,
para as ilhas da região. Porém, pode-se pensar no uso de sistemas OTEC para a
implantação de uma indústria baseada nas aplicações de água oceânica profunda.
Desta forma, na costa Norte, OTEC seria viável provavelmente apenas por sistemas
flutuantes em áreas limítrofes às águas internacionais, e caso existisse no mercado a
procura por um produto passível de ser obtido nestes sistemas (por exemplo,
hidrogênio, amônia ou metanol) a um preço competitivo com outras fontes desses
produtos. O mesmo raciocínio pode ser aplicado à área da ZEE em torno das ilhas
oceânicas da costa Nordeste/parte da costa Central.
No Brasil, o trecho da ZEE entre Natal e Salvador é a região com maior potencial
para implantação de sistemas OTEC. Nele, próximo de Salvador, ocorre o maior
estreitamento da plataforma continental brasileira, de modo, que há possibilidade de se
encontrar diferenças de temperatura adequadas para funcionamento de usinas OTEC,
com a menor distância possível entre o ponto de implantação da usina e a linha de
costa na área em estudo. Isto diminuiria os custos com o envio de energia para o
continente, além de facilitar o transporte dos técnicos para a operação e manutenção
da usina. Desta maneira, essa área é a mais propicia para implantação de sistemas
OTEC pilotos para análise da viabilidade destes sistemas nas condições
oceanográficas da ZEE em estudo.
109
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