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Aproveitamento da Energia das Ondas Para Bombeamento Eficiente e Dessalinização da Água do Mar
Eduardo de Azevedo Backer
Projeto de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia Mecânica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro Mecânico.
Orientadores:
Eliab Ricarte Beserra
David Alves Castelo Branco
Rio de Janeiro Fevereiro de 2017
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ
Aproveitamento da Energia das Ondas Para Bombeamento Eficiente e
Dessalinização da Água do Mar
Eduardo de Azevedo Backer
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO
DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________ Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz, D.Sc.
________________________________________________ Prof. David Alves Castelo Branco, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Eliab Ricarte Beserra, D.Sc.
________________________________________________ Prof. Rodrigo Klim Gomes, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
FEVEREIRO DE 2017
i
Backer, Eduardo de Azevedo
Aproveitamento da Energia das Ondas Para
Bombeamento Eficiente e Dessalinização da Água do
Mar
– Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2017.
XI, p.:91 il.; 29,7 cm.
Orientador: David Alves Castelo Branco
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso
de Engenharia Mecânica, 2017.
Referências Bibliográficas: p. 88-91.
1. Estações de Bombeio. 2. Energia das ondas. 3.
Dessalinização. I. Universidade Federal do Rio de
Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia
Mecânica. II. Titulo.
ii
“Se, a princípio, a ideia não é absurda,
então não há esperança para ela.”
– Albert Einstein
“Não andes apenas pelo caminho traçado,
pois ele conduz somente até onde os
outros já foram.”
– Alexander Graham Bell
iii
DEDICATÓRIA
À Dona Olívia, in memoriam, por ser a melhor avó, mãe e amiga que alguém poderia
desejar.
“Durante a nossa vida:
Conhecemos pessoas que vêm e que ficam,
Outras que vêm e passam.
Existem aquelas que,
Vêm, ficam e depois de algum tempo se vão.
Mas existem aquelas que vêm e se vão com uma enorme vontade de ficar.”
- Charles Chaplin
iv
AGRADECIMENTOS
À Deus, primeiramente, por me proporcionar as condições de saúde, familiar e
econômicas para chegar até este ponto da minha vida.
Aos meus pais, pelo incentivo, acima do comum, aos estudos e por me propiciar a
estabilidade necessária para conseguir realizar meus estudos.
À toda a minha família, pelo apoio incondicional durante todos estes anos.
Aos professores David Alves Castelo Branco e Alexandre Salem Szklo, da disciplina
Fontes Alternativas de Energia, que modificaram os meus pensamentos e visão de
vida, e me colocaram na direção da escolha deste tema como projeto de graduação.
Aos pesquisadores Eliab Ricarte Beserra e Rodrigo Klim Gomes, que me orientaram
de forma concisa e eficaz durante o ano de 2016.
Ao Programa de Planejamento Energético da COPPE/UFRJ, por me permitir a
realização do estágio acadêmico que culminou na execução deste trabalho.
Aos meus companheiros de engenharia mecânica, por dividir momentos
extremamente delicados e horas e mais horas de estudo ao meu lado.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Aproveitamento da Energia das Ondas Para Bombeamento Eficiente e
Dessalinização da Água do Mar
Eduardo de Azevedo Backer
Fevereiro/2017
Orientador: David Alves Castelo Branco
Curso: Engenharia Mecânica
Esse projeto final de graduação apresenta um estudo sobre a uma nova concepção
de bombeamento através do conceito das estações de bombeio, utilizando
dispositivos que aproveitam o potencial energético das ondas para realizar tal
trabalho. O estudo visa propor configurações possíveis de dutos que escoarão a
água do mar até a costa, realizando os cálculos de perda de carga necessários, para
posterior realização da sua dessalinização e produção de água potável. Apesar do
caráter intercambiável do projeto, este estudo é focado na região do Porto do Pecém,
no Ceará, Brasil.
Palavras-chave: energia das ondas, bombeamento eficiente, dessalinização
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfilment of
the requirements for the degree of Mechanical Engineer.
Wave-energy Extraction Aiming an Efficient Pumping and Desalination of Sea Water
Eduardo de Azevedo Backer
February/2017
Advisor: David Alves Castelo Branco
Course: Mechanical Engineering
This undergraduate project presents a study on a new pumping design through the
concept of pumping stations, using devices that take advantage of the energetic
potential of the waves to perform such work. The study aims to propose possible
configurations of pipelines that will drain seawater to the coast, performing the
necessary friction loss calculations, for subsequent desalination and potable water
production. Despite the interchangeable character of the project, this study is
focused on the region of Porto do Pecém, at Ceará, Brazil.
Key-words: wave-energy, efficient pumping, dessalination
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Destilador Solar ......................................................................... 18
Figura 2 – Esquema do Dessalinizador Multi Estágio Flash ........................ 21
Figura 3 – Esquema do Dessalinizador Multi Efeito de Evaporação ............. 22
Figura 4 – Esquema do Dessalinizador Vapor Compressão .......................... 23
Figura 5 – Esquema do Dessalinizador por Osmose Reversa ....................... 24
Figura 6 – AquaBuOY ................................................................................. 35
Figura 7 – Flutuador do AquaBuOY ............................................................ 36
Figura 8 – McCabe Wave Pump ................................................................... 37
Figura 9 – Concepção do WaveRoller ........................................................... 40
Figura 10 – Concepção do Gerador Adaptativo de Pressão ........................... 40
Figura 11 – Seadog .................................................................................... 42
Figura 12 – Instalação do Seadog ............................................................... 42
Figura 13 – Oyster ..................................................................................... 44
Figura 14 – Foto 1 do Oscilador no INPH .................................................... 46
Figura 15 – Foto 2 do Oscilador no INPH .................................................... 46
Figura 16 – Foto 1 do Oscilador em Teste ................................................... 47
Figura 17 – Foto 2 do Oscilador em Teste Água ........................................... 47
Figura 18 – Foto da CSP em Construção ..................................................... 49
Figura 19 – Pré Filtragem na Região do Pecém ............................................ 52
Figura 20 – Direção de Ondas no Pecém ..................................................... 53
Figura 21 – Arranjo dos Osciladores ........................................................... 54
Figura 22 – Sistema Vertical de Dessalinização Térmica ............................. 56
Figura 23 – Caminho da Tubulação até o Porto do Pecém ........................... 59
Figura 24 – Caminho da Tubulação até a CSP ............................................ 60
Figura 25 – Tela dos Parâmetros Iniciais ..................................................... 64
Figura 26 – Tela dos Cálculos Iniciais ......................................................... 64
Figura 27 – Tela dos Comprimentos Equivalentes ....................................... 64
Figura 28 – Tela dos Cálculos Finais ........................................................... 65
Figura 29 – Parâmetros Iniciais do Cenário 1 com Diâmetro de 40
polegadas............................................................................................................. 66
viii
Figura 30 – Cálculos Finais do Cenário 1 com Diâmetro de 40 polegadas .... 66
Figura 31 – Configuração dos Dutos do Cenário 1 com Diâmetro de 40
polegadas...................................................................................................................... 67
Figura 32 – Parâmetros Iniciais do Cenário 1 com Diâmetro de 20
polegadas...................................................................................................................... 67
Figura 33 – Cálculos Finais do Cenário 1 com Diâmetro de 20
polegadas............................................................................................................. 68
Figura 34 – Configuração dos Dutos do Cenário 1 com Diâmetro de 20
polegadas............................................................................................................. 68
Figura 35 – Cálculos Finais do Cenário 1 com Diâmetro de 10
polegadas............................................................................................................. 69
Figura 36 – Parâmetros Iniciais do Cenário 2 com Diâmetro de 40
polegadas............................................................................................................. 70
Figura 37 – Cálculos Finais do Cenário 2 com Diâmetro de 40
polegadas............................................................................................................. 70
Figura 38 – Parâmetros Iniciais do Cenário 2 com Diâmetro de 20
polegadas............................................................................................................. 71
Figura 39 – Cálculos Finais do Cenário 2 com Diâmetro de 20
polegadas............................................................................................................. 71
Figura 40 – Configuração dos Dutos do Cenário 2 com Diâmetro de 20
polegadas............................................................................................................. 72
Figura 41 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Primeiro Trecho com Diâmetro
de 20 polegadas.................................................................................................... 73
Figura 42 – Comprimentos Equivalentes do Cenário 3: Primeiro Trecho com
Diâmetro de 20..................................................................................................... 73
Figura 43 – Cálculos Finais do Cenário 3: Primeiro Trecho com Diâmetro de
20 polegadas........................................................................................................ 73
Figura 44 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Segundo Trecho com Diâmetro
de 20 polegadas.................................................................................................... 74
Figura 45 – Comprimentos Equivalentes do Cenário 3: Segundo Trecho com
Diâmetro de 20 polegadas..................................................................................... 75
Figura 46 – Cálculos Finais do Cenário 3: Segundo Trecho com Diâmetro de
20 polegadas........................................................................................................ 75
Figura 47 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Terceiro Trecho com Diâmetro
de 20 polegadas.................................................................................................... 75
ix
Figura 48 – Cálculos Finais do Cenário 3: Terceiro Trecho com Diâmetro de 20
polegadas............................................................................................................. 76
Figura 49 – Figura 49 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Quarto Trecho com
Diâmetro de 20 polegadas..................................................................................... 76
Figura 50 – Cálculos Finais do Cenário 3: Quarto Trecho com Diâmetro de 20
polegadas............................................................................................................. 77
Figura 51– Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Quinto Trecho com Diâmetro de
20 polegadas........................................................................................................ 77
Figura 52 – Cálculos Finais do Cenário 3: Quinto Trecho com Diâmetro de 20
polegadas............................................................................................................. 78
Figura 53 – Figura 53 – Configuração dos Dutos do Cenário 3 com Diâmetro
de 20 polegadas.................................................................................................... 79
Figura 54 – Parâmetros Iniciais do Cenário 4: Primeiro Trecho do Primeiro
Caso.................................................................................................................... 81
Figura 55 – Figura 55 – Cálculos Finais do Cenário 4: Primeiro Trecho do
Primeiro Caso....................................................................................................... 81
Figura 56 – Parâmetros Iniciais do Cenário 4: Segundo Trecho do Primeiro
Caso.................................................................................................................... 82
Figura 57 – Cálculos Finais do Cenário 4: Segundo Trecho do Primeiro
Caso.................................................................................................................... 82
Figura 58 – Parâmetros Iniciais do Cenário 4: Segundo Caso ...................... 83
Figura 59 – Cálculos Finais do Cenário 4: Segundo Caso ............................ 83
Figura 60 – Configuração dos Dutos do Cenário 4: Primeiro Caso ............... 84
Figura 61 – Configuração dos Dutos do Cenário 4: Segundo Caso ............... 85
x
SUMÁRIO
1. Introdução ……………………………………………………....................................... 12
2. Dessalinização da água do mar ……………………….......................................... 14
2.1 Energia requerida para a dessalinização …….…………..................................... 14
2.2 Tipologia da dessalinização .............................................................................16
2.3 Processos de Dessalinização ........................................................................... 16
2.4 Multi Estágio Flash (MSF) ............................................................................... 20
2.5 Multi Efeito Evaporação (MEE) ....................................................................... 21
2.6 Vapor Compressão (CV) .................................................................................. 22
2.7 Osmose Reversa ............................................................................................. 23
2.7.1 Tratamentos prévios da água do mar ........................................................... 25
2.7.1.1 Pré Tratamento Convencional ................................................................... 26
2.7.1.2 Membranas Capilares .............................................................................. 27
2.8 Definição do dessalinizador e da fonte de energia ............................................ 28
3. Energia das Ondas .......................................................................................... 29
3.1 Equações da energia das ondas ...................................................................... 30
3.2 Conversores de energia das ondas .................................................................. 31
3.2.1 Localização ................................................................................................. 31
3.2.2 Tipo ............................................................................................................ 32
3.3 Dispositivos de Bombeamento ........................................................................ 32
3.3.1 Delbuoy ...................................................................................................... 33
3.3.1.1 Princípio de Operação .............................................................................. 33
3.3.1.2 Local ....................................................................................................... 33
3.3.2 AquaBuOY .................................................................................................. 34
3.3.2.1 Princípio de Operação .............................................................................. 34
3.3.2.2 Local ....................................................................................................... 35
3.3.3 McCabe Wave Pump .................................................................................... 36
3.3.3.1 Princípio de Operação .............................................................................. 36
3.3.3.2 Local ....................................................................................................... 38
3.3.4 AaltoRo ....................................................................................................... 38
xi
3.3.4.1 Princípio de Operação .............................................................................. 38
3.3.4.2 Local ....................................................................................................... 39
3.3.5 Seadog ....................................................................................................... 41
3.3.5.1 Princípio de Operação .............................................................................. 41
3.3.5.2 Local ....................................................................................................... 41
3.3.6 Oyster ......................................................................................................... 43
3.3.6.1 Princípio de Operação .............................................................................. 43
3.3.6.2 Local ....................................................................................................... 44
3.4 Oscilador do Programa de Planejamento Energético da COPPE ....................... 45
3.4 Possibilidades de utilização do dispositivo e escolha da dessalinização ............ 48
4. Definição do local e do modelo de projeto ......................................................49
4.1 Sítio escolhido ............................................................................................... 49
4.2 Captação da água no Porto do Pecém .............................................................. 52
4.3 Arranjo dos dispositivos no quebra mar .......................................................... 52
4.4 Dessalinização térmica ................................................................................... 55
5. Estudos de caso ............................................................................................. 57
5.1 Cálculo das perdas de carga ........................................................................... 59
5.2 Estações de bombeio ...................................................................................... 62
5.3 Método do comprimento equivalente aplicado ................................................. 63
5.4 Programa desenvolvido no Microsoft Excel ...................................................... 63
5.5 Estudo de Caso .............................................................................................. 65
5.5.1 Estudo de Caso – Cenário 1 ......................................................................... 65
5.5.2 Estudo de Caso – Cenário 2 ......................................................................... 69
5.5.3 Estudo de Caso – Cenário 3 ......................................................................... 72
5.5.4 Estudo de Caso – Cenário 4 ......................................................................... 80
6. Conclusão ...................................................................................................... 86
12
1. Introdução
O planeta vem passando por um dilema que será ponto crucial das discussões
sobre planejamento energético nos próximos anos. Os estoques de petróleo
diminuem a cada ano enquanto a população continua a crescer, gerando uma
demanda cada vez maior por energia. Por isso, será necessário que o mundo passe
a buscar, cada vez mais, alternativas de energia para combinar com a queima de
fontes fósseis, de forma a atender esse crescimento esperado nas próximas décadas.
Ademais, o homem chegou ao século XXI e as possibilidade de se utilizar petróleo em
outras demandas mais nobres, tais como, cosméticos, borracha sintética,
lubrificantes, remédios, produtos de limpeza, asfalto, tecidos sintéticos, entre outros,
são grandes, de forma que a simples queima e combustão do produto passa a soar
como uma prática obsoleta. É nesse contexto que urge a necessidade de
desenvolvimento das fontes alternativas de energia, para que possam ser combinadas
com a combustão das fontes fósseis e, quiçá, em algumas décadas, cobrir
completamente a demanda energética do planeta, ao se tornar uma alternativa viável
economicamente quando comparada ao petróleo. Dentro das fontes de energia
alternativa, a energia proveniente dos oceanos possui grande potencial de
crescimento, uma vez que ainda está em fase de desenvolvimento.
Um outro debate importante, que vem crescendo em importância a cada ano é
o da questão dos impactos ambientais resultantes da emissão de gases provenientes
da queima de combustíveis fósseis. Em 2015, um acordo inédito foi celebrado na COP
21, a cúpula do clima de Paris, que aprovou o primeiro acordo de extensão global para
reduzir as emissões de gases de efeito estufa e para combater os impactos da
mudança climática. O acordo delibera que seus 195 países signatários atuem para
que temperatura média do planeta sofra uma elevação muito abaixo de 2°C, mas
reunindo esforços para limitar o aumento de temperatura a 1,5°C. É nesse contexto
que a questão energética do planeta pode ser gravemente afetada, pois como será
possível lidar com a crescente exigência energética, se os países garantem que vão
reduzir a emissão de gases poluentes advindos da queima de combustíveis fósseis?
13
A resposta está na diversificação da matriz global energética, combinando a
queima de combustíveis fósseis com a geração de energia a partir de fontes
alternativas. Fontes alternativas renováveis já consagradas e em pleno crescimento
são as fontes eólica e solar, contudo uma fonte de energia pouco explorada ainda, e
em fase de pesquisa e desenvolvimento, é a energia proveniente dos oceanos.
Algumas fontes de energia presentes nos mares são: o gradiente térmico entre a
superfície e o fundo do oceano, gradientes de salinidade, exploração das correntes
marinhas, exploração das marés e a exploração das ondas. Esta última, objeto de
estudo deste projeto, possui uma densidade energética muito maior que a das
energias eólica e solar, fornecendo, pois, um desafio ao homem em conseguir realizar
sua captação de forma eficiente para inseri-la na matriz energética mundial de forma
constante. No Brasil, ainda não existe um caso de sucesso relacionado ao tema e
esse estudo pretende, junto a outros estudos do grupo de pesquisa, começar a colocar
a energia das ondas efetivamente em prática em solo nacional.
Por outro lado, um outro grande problema que a humanidade sofre, é a questão
da produção de água potável, essencialmente em regiões onde a distribuição da água
é precária, de difícil acesso ou a fonte de recursos de água doce é escassa. Uma
solução que se escancara a frente dos olhos da engenharia é unir a energia dos
oceanos com a maior fonte de água do planeta, que é exatamente a água salina dos
oceanos. Dessa forma, utilizando o potencial das ondas com métodos de
dessalinização desenvolvidos e consagrados, seria possível entregar água potável em
regiões como, por exemplo, Carrizal Bajo, um pequeno povoado perto do deserto do
Atacama, no Chile, com sérias dificuldades na distribuição de água e que possui bom
potencial energético das ondas em sua costa.
O projeto de pesquisa aplicada consiste no dimensionamento de uma planta
de bombeamento de água pelo uso da energia das ondas, sob pressão demandada
por uma planta de dessalinização de água do mar. A pesquisa propõe uma maneira
de produzir água pressurizada sem a necessidade de eletricidade, insumo este
responsável por 50% dos custos de operação de uma planta dessalinizadora. Será
utilizado um dispositivo de produção de energia a partir das ondas em águas rasas,
14
um oscilador que visa o aproveitamento tanto da energia potencial quanto da energia
cinética das ondas, cujo funcionamento será objeto de descrição no trabalho.
O intuito da pesquisa é verificar a possibilidade de usar essa energia para
pressurização da água do mar, de forma a conseguir escoá-la através de longas
distância até a costa e, a partir daí, realizar o processo de dessalinização da forma
que for mais apropriada. Além disso, o projeto desenvolverá uma ideia de
bombeamento sem a utilização de bombas hidráulicas acionadas por eletricidade,
através do conceito de estações de bombeio. Tal conceito, a ser mostrado neste
estudo, visa utilizar o oscilador para bombear a água do mar por uma determinada
distância, até o próximo oscilador, onde a água será, uma vez mais, pressurizada, e
assim consecutivamente até a costa. Ao final, intenciona-se ter o dimensionamento
de uma planta com esse arranjo e pronta para ser implementada em diversos locais.
A ideia do projeto é ser intercambiável, visto que um programa no Microsoft Excel será
desenvolvido com o objetivo de que seja possível realizar a entrada inicial de
parâmetros diferentes, de acordo com os sítios escolhidos e a potência requerida ao
arranjo de osciladores seja calculada para o lugar específico.
2. Dessalinização da água do mar
2.1 Energia requerida para a dessalinização
A água é um dos recursos mais abundantes na Terra, cobrindo três quartos da
superfície do planeta. No entanto, cerca de 97% da água da Terra é água do mar
salgada, e somente 3% é água doce (MANOLAKOS et al., 2007). As únicas fontes de
água realmente inesgotáveis no planeta são os oceanos, sua principal desvantagem,
no entanto, é a sua elevada salinidade. Dessa maneira, seria interessante enfrentar o
problema da escassez de água potável no mundo com a dessalinização da água.
Dessalinizar, em geral, significa remover o sal da água do mar ou, na maior parte dos
casos, da água salobra, isto é, uma água que já recebeu um pré tratamento de
filtragem, reduzindo a concentração de partículas sólidas em sua composição. De
15
acordo com a Organização Mundial da Saúde (OMS), o limite permitido de salinidade
na água é de 500 partes por milhão (ppm) e, em casos especiais, de até 1000 ppm,
enquanto a maioria da água disponível na Terra tem salinidade de 10.000 ppm. A
água do mar, por sua vez, normalmente tem salinidade na gama de 35.000 a 45.000
ppm, sob a forma de sais dissolvidos. O excesso de salobridade causa múltiplos
problemas ao ser humano, como, por exemplo, problemas de estômago, efeitos
laxativos e, até mesmo, problemas cardíacos. A finalidade de um sistema de
dessalinização é purificar a água salobra ou água do mar e prover água com sólidos
totais dissolvidos dentro do limite permitido (KALOGIROU, 2005). Tal objetivo pode
ser alcançado através de diversos métodos de dessalinização que serão discutidos
neste capítulo.
Segundo Kalogirou (2005), estima-se que a produção atual de água potável
através da dessalinização (22 milhões de metros cúbicos de água por dia) requer
cerca de 203 milhões de toneladas de petróleo por ano. Portanto, dada a atual
preocupação, em escala global, com a emissão de poluentes e os efeitos que essas
práticas vem causando, ocasionando diversos problemas ambientais, é questionável
se a humanidade pode se dar ao luxo de queimar combustíveis fósseis, na medida
necessária, para fornecer água potável a todos. A conclusão que se chega é que, se
a dessalinização realizada através de tecnologia convencional não é uma alternativa
viável para o futuro, então a dessalinização, utilizando fontes de energia alternativa,
terá de ser desenvolvida e ampliada. Felizmente, muitos lugares que estão com
escassez de água, possuem fontes renováveis de energia exploráveis, que podem ser
utilizadas para conduzir os processos de dessalinização (KALOGIROU, 2005).
Embora a energia renovável ainda não possa competir com sistemas
convencionais, em termos de custo da água produzida, ela é aplicável em
determinadas áreas remotas, caracterizadas pela falta de água potável e de fontes de
energia convencionais, como calor e rede elétrica. Além disso, a expectativa é de que,
com dados operacionais e com a experiência adquirida em plantas que funcionam à
base de energia renovável, seja possível conseguir uma maior confiabilidade e
minimização de custos para que, num futuro próximo, se tornem soluções amplamente
viáveis (KALOGIROU, 2005). O acoplamento das fontes de energia renováveis com
16
processos de dessalinização é visto, por alguns, como tendo o potencial para oferecer
uma rota para sustentável aumento do fornecimento de água potável (QIBLAWEY;
BANAT, 2007).
2.2 Tipologia da dessalinização
Dessalinização da água do mar pode ser um recurso bastante confiável para a
produção de água doce. No entanto, um investimento substancial de capital é
necessário e a operação do sistema continuará a exigir despesas de energia, mão de
obra e produtos químicos. A decisão de usar o processo de dessalinização e a
seleção, tanto da tecnologia mais adequada quanto da sua capacidade, depende de
diversas variáveis (WORLD BANK, 2004). Existem duas maneiras de se realizar a
dessalinização da água salgada dos oceanos: ou a captação é direta do oceano, isto
é, o pré tratamento é feito offshore, ou a captação é indireta, de maneira que o pré
tratamento é feito onshore. A escolha a ser feita é de suma importância, uma vez que
a concentração total de sólidos dissolvidos (TDS) na água que é alimentada na planta,
impacta diretamente em diversos parâmetros de projeto. Por isso, é necessário
descrever as diferentes maneiras de captação da água e suas respectivas
concentrações.
A captação direta pode ser realizada através de canais dragados, abaixo da
zona de arrebentação, para succionar a água do mar. Captações diretas mais
sofisticadas envolvem a construção de dutos desde a costa até regiões posteriores à
arrebentação. Contudo, há grandes diferenças entre regiões rasas e locais de águas
profundas. Por um lado, águas profundas, que são águas mais profundas do que 35
metros, possuem melhor qualidade da água, em razão da menor quantidade de
detritos. No entanto, também há desvantagens com a distância da costa, como o custo
das tubulações, que podem tornar projetos em águas profundas menos competitivos
economicamente. Na verdade, a maioria dos projetos de captação de água
diretamente do mar variam numa profundidade de 1 a 6 metros. Outrossim,
geralmente, captação de água do mar exige construções offshore e, traz consigo, os
impactos associados. Vários problemas são relatados para captação direta incluindo
17
a incrustação biológica de tubos de admissão, admissão de lixo e outros detritos e
produtos de hidrocarbonetos na água de alimentação (CAMPBELL; JONES, 2005).
Um dos maiores problemas da dessalinização direta é, portanto, a qualidade da água
de alimentação. Os processos de pré tratamento mais antigos são baseados em uma
série de etapas de filtração, enquanto tecnologias mais recentes consistem em
membranas de configuração capilar. Ambos os processo serão descritos na seção de
pré tratamento.
Por outro lado, os modelos indiretos de admissão de água salgada são
projetados para assegurar a qualidade da água. Geralmente, a captação indireta visa
reduzir ou eliminar o pré tratamento da água antes da alimentação nas membranas,
protegendo-as da proliferação de algas nocivas, derrames de hidrocarbonetos e
cargas de choque devido a tempestades. Estas características de projeto resultarão
em uma melhor eficiência e desempenho das centrais de dessalinização,
especialmente aquelas com sistemas de membrana. Modelos indiretos podem ser
divididos em: poços verticais, poços verticais com extensão horizontal e galerias de
infiltração (CAMPBELL; JONES,2005).
Um dos objetivos primordiais deste estudo é deixar um esqueleto de projeto
que possa ser utilizado em diversas localidades através do planeta, independente da
necessidade de água potável ser grande, média ou pequena. Por isso, o estudo exige
uma escolha de forma de captação que seja intercambiável, isto é, que possa ser
utilizada nos mais diversos sítios com regularidade de ondas. Portanto, a captação
direta é a mais indicada, visto que ela não depende das condições hidro geológicas
do local, diferente da captação indireta. Seja ela por infiltração ou por poços, as
características dos sítios são restrições de projeto, incluindo a permeabilidade do
aquífero, gradiente hidráulico entre a fonte e a admissão, e a permeabilidade vertical
das camadas sedimentares próximas à costa, limitando as possíveis escolhas de
regiões para implementação. Contudo, alguns sítios possuem regiões de acúmulo de
água que permitem uma pré filtragem natural da água do mar, como é o caso do sítio
escolhido para o estudo de caso deste projeto. Nessas regiões é interessante
aproveitar essa água do mar pré-filtrada e, através de uma bomba de recalque,
realizar o bombeamento até o primeiro oscilador.
18
2.3 Processos de Dessalinização
Os sistemas de dessalinização podem ser classificados em duas categorias:
sistemas diretos e indiretos. Os sistemas de coleta de energia diretos utilizam
destiladores solares para produzir, como o nome já sugere, água destilada a partir de
coletores solares. Por outro lado, nos sistemas indiretos, dois subsistemas são
empregados, um para captação de energia e outro para a dessalinização
(MANOLAKOS et al., 2007).
O processo de dessalinização direta é razoavelmente simples e se baseia no
comportamento da natureza. No meio ambiente, a dessalinização solar produz chuva
quando a radiação solar é absorvida pelo mar e faz a água evaporar. A água se
evapora completamente e se eleva acima da superfície, posteriormente sendo movida
pelo vento. Uma vez que este vapor esfria para o seu ponto de orvalho, a condensação
ocorre, e a água doce desce em forma de chuva. Este procedimento básico é
responsável pelo ciclo hidrológico e seu mesmo princípio é utilizado em todos os
processos de destilação feitos pelo homem em sistemas que utilizam fontes
renováveis (QIBLAWEY; BANAT, 2007). A eficiência média típica desses
destiladores, definida como a razão entre a energia utilizada na vaporização da água
no aparato e a energia solar incidente sobre o vidro de cobertura, é de, no máximo,
35% (KALOGIROU, 2005). Um esquema representativo da destilação direta pode ser
observado na figura 1:
Figura 1 – Destilador Solar
Fonte: SANTOS (2005)
19
A grande vantagem da utilização de energia solar para dessalinização direta
reside no fato de que é uma energia livre e de insignificante custo operacional.
Contudo, é necessário observar que tal tipo de tecnologia de dessalinização só é
aplicável para produções em pequena escala (QIBLAWEY; BANAT, 2007). Dessa
forma, instalações desse tipo ficam restritas à locais escassos e com boa incidência
solar, como por exemplo ilhas e locais áridos.
Por outro lado, devido à natureza difusa da energia solar, os principais
problemas com o uso de energia solar térmica, como fonte em usinas de
dessalinização em larga escala, são a relativamente baixa taxa de produtividade, a
baixa eficiência térmica e o espaço consideravelmente grande exigido para captação
(QIBLAWEY; BANAT, 2007).
Portanto, a conclusão que se chega é que a dessalinização direta possui
limitações referentes ao local que vai ser instalado e à capacidade de produção, caso
a necessidade seja de produção em escala industrial. Dito isso, sabendo que o
objetivo desse estudo é apresentar uma solução que, além da eficiência energética,
permita flexibilidade com relação ao local de instalação, o processo de dessalinização
direta não atende às premissas estabelecidas. Utilizando um sistema de
dessalinização indireta, o projeto se torna flexível, permitindo, não somente a
aplicação em regiões com baixa demanda de água doce diária, mas também a
aplicação em lugares que exijam uma quantidade maior de água potável por dia, ou
seja, locais estes em que os coletores diretos teriam produção insuficiente. A seguir
será explicado o funcionamento e serão apresentados os tipos mais usuais de
dessalinização indireta.
Os sistemas indiretos envolvem a implementação de dois subsistemas
separados, um dispositivo de coleta de energia renovável (coletor solar, painel
fotovoltaico, turbina eólica, dispositivo de aproveitamento da energia das ondas, etc.)
e uma planta para transformar a energia coletada em água potável. A planta de
energia é baseada em um dos seguintes princípios de funcionamento:
20
Princípio um: são utilizados processos que envolvem mudança de fase, dentre
os quais serão apresentados aqueles que são os mais utilizados.
Multi Estágio Flash (MSF)
Multi Efeito de Evaporação (MEE)
Vapor Compressão (CV)
Princípio dois: são utilizados processos que utilizam uma membrana de
filtração, dentre os quais o mais utilizado em escala global é o seguinte:
Osmose Reversa (RO)
O princípio de funcionamento de processos de mudança de fase implica na
reutilização do calor latente de evaporação para preaquecer a alimentação de água
salina, enquanto ao mesmo tempo a condensação de vapor produz água doce. Já o
segundo princípio funciona de forma que a água do mar é forçada, sob pressão,
através de uma série de membranas que removem fisicamente as moléculas de sal.
Em contraste com os sistemas de destilação, em que a separação ocorre através da
diferença de temperaturas de evaporação, o processo de separação é, aqui,
determinado pelo tamanho e pelas diferenças de difusividade (KALOGIROU, 2005).
A seguir as formas de dessalinização indireta serão aprofundadas.
2.4 Multi Estágio Flash (MSF)
A técnica mais comum e simples para a dessalinização em larga escala é,
atualmente, a destilação multi estágio flash, que produz globalmente um total de cerca
de 10 milhões de toneladas de água potável todos os dias (LINDBLOM, 2003). O
processo do multi estágio flash é composto por uma série de elementos chamadas
estágios. Em cada estágio, vapor condensado é usado para preaquecer a alimentação
de água do mar. Além disso, tal sistema exige gradientes de pressão na planta.
Instalações atuais são projetadas possuindo 10 a 30 estágios, com 2 graus de queda
de temperatura por estágio (KALOGIROU, 2005). A seguir, a figura 2 mostra um
esquema representativo do MSF:
21
Figura 2 – Esquema do Dessalinizador Multi Estágio Flash
Fonte: SANTOS (2005)
MSF é o processo de dessalinização mais amplamente usado em termos de
capacidade. Isto é devido à simplicidade do processo, características de
desempenho e controle de escala. Uma desvantagem do MSF é que níveis de
pressão precisamente definidos são requeridos nas diferentes etapas e, portanto,
alguns transientes de tempo são necessários para estabelecer o ritmo de operação
normal a planta (KALOGIROU, 2005).
2.5 Multi Efeito de Evaporação (MEE)
O processo de MEE também é composto de um certo número de estágios, que
são chamados efeitos. O vapor vindo de um efeito é utilizado como fluido de
aquecimento no próximo efeito e, enquanto condensa, provoca a evaporação de uma
parte da solução salina. O vapor produzido passa pelo efeito seguinte, onde, mais
uma vez, enquanto condensa, faz com que parte da outra solução salina evapore e
assim por diante. Este tipo de planta reduz tanto os requisitos de bombeamento
quanto as tendências de incrustação (KALOGIROU, 2005). A figura 3 mostra uma
representação do sistema MEE:
22
Figura 3 – Esquema do Dessalinizador Multi Efeito de Evaporação
Fonte: SANTOS (2005)
2.6 Vapor Compressão (CV)
Em um sistema de vapor compressão, a recuperação de calor é baseada no
aumento da pressão de vapor de uma etapa, por meio de um compressor. A
temperatura de condensação é, assim, aumentada, e o vapor pode ser usado para
fornecer energia ao mesmo estágio de que veio ou para outros estágios. Como em
sistemas de MEE convencionais, o vapor produzido no primeiro efeito é usado como
a entrada de calor para o segundo efeito, que está a uma pressão inferior. O vapor
produzido no último efeito é então transferido ao compressor de vapor, onde é
comprimido e sua temperatura de saturação é levantada antes de ser devolvido ao
primeiro efeito, como pode ser notado na figura 4. O compressor representa a grande
entrada de energia para o sistema e, uma vez que o calor latente é efetivamente
reciclado em torno da planta, o processo tem potencial para assegurar elevada
performance (KALOGIROU, 2005). Na figura 4, segue esquema que representa o
sistema vapor compressão:
23
Figura 4 – Esquema do Dessalinizador Vapor Compressão
Fonte: SANTOS (2005)
No entanto, esse tipo de sistema exige requisitos de energia mecânica que
necessitam ser fornecidos a partir de uma unidade principal, tal como um motor à
diesel. Portanto, o sistema de vapor compressão é mais usado em conjunto com um
sistema de MEE e operado em períodos de baixa incidência solar ou durante a noite
(KALOGIROU, 2005).
2.7 Osmose Reversa (RO)
O sistema de osmose reversa depende das propriedades de membranas
semipermeáveis que, quando usadas para separar a água potável a partir de uma
solução salina, permitem que ela passe para o compartimento posterior sob a
influência da pressão osmótica. Se uma pressão acima deste valor é aplicada à
solução salina, somente água doce passará ao compartimento subsequente,
deixando os sais, que estavam dissolvidos, na membrana. Teoricamente, o único
requisito de energia é aquele necessário para bombear a água de alimentação a uma
pressão acima da pressão osmótica. Na prática, pressões mais elevadas devem ser
utilizadas, tipicamente numa faixa de 50 a 80 atm, a fim de ter uma quantidade
suficiente de água passando através de uma unidade de área da membrana. Como
mostrado no esquema representativo da figura 5, a alimentação de água do mar é
pressurizada por uma bomba de alta pressão e flui através da superfície da
24
membrana. Parte desta alimentação passa através da membrana, onde a maioria dos
sólidos dissolvidos são removidos. A parte que fica retida, junto com o restante dos
sais, é rejeitada a alta pressão (KALOGIROU, 2005).
Figura 5 – Esquema do Dessalinizador por Osmose Reversa
Fonte: SANTOS (2005)
O processo da osmose reversa é explicado como sendo o oposto do processo
de osmose, sendo a membrana semipermeável, a responsável por realizar a
separação entre soluto e solvente. Para definirmos osmose reversa, é necessário,
primeiro, definir o processo de osmose. A osmose é um processo natural que
envolve o fluxo de fluido através de uma membrana semipermeável. Considerando
um tanque de água pura, com uma membrana semipermeável dividindo-o em duas
partes, se um sal solúvel em água é adicionado de um lado, o potencial químico da
solução de sal é reduzido. Portanto, fluxo osmótico, do lado da água pura, através
da membrana, para o lado da solução salina ocorrerá, até que o equilíbrio do
potencial químico seja restaurado. A pressão osmótica é uma propriedade da
solução proporcional a concentração de sal e independente da membrana
(HYDRANAUTICS, 2001).
Dito isso, é possível explicar o que ocorre no processo da osmose reversa, que
é o princípio que rege a filtração dos sais dissolvidos da água do mar. Para remover
a água doce de uma água com alta concentração salina usando a separação por
membrana, o processo natural de osmose precisa ser invertido, isto é, a água precisa
25
ser transferida do lado de maior concentração para o lado de menor concentração da
membrana. Para que tal reversão ocorra, a lado de alta salinidade precisa ser
pressurizado até um nível de pressão maior que o nível de pressão osmótica natural.
Esse processo de movimento forçado de água através da membrana na direção
oposta do gradiente de salinidade é conhecido como osmose reversa.
A característica chave das membranas semipermeáveis é que elas realizam a
passagem da água a uma taxa muito maior que a dos sólidos dissolvidos. As
membranas são, na realidade, filtros muito finos, e são muito sensíveis tanto a
incrustação biológica, quanto a não biológica. Para evitar o entupimento, é preciso
cuidado com o pré-tratamento da alimentação de água salina, sendo necessário que
ocorra antes que a água seja permitida entrar em contato com a superfície da
membrana (KALOGIROU, 2005). Na próxima seção, será feita uma apresentação e
detalhamento dos tipos de pré tratamento existentes, que são importantes no caso de
a escolha do projeto ser pela de dessalinização por osmose reversa, e da tipologia da
dessalinização.
2.7.1 Tratamentos prévios da água do mar
Para garantir uma boa vida útil às membranas, é preciso que a água chegue à
planta de dessalinização já com uma concentração mais baixa de partículas. A água
de alimentação, dependendo da sua fonte, pode conter altas concentrações de sólidos
suspendidos e matéria dissolvida. A eficácia do funcionamento do sistema de pré-
tratamento e a qualidade da água de alimentação são medidas em termos do índice
de densidade de sedimento (SDI). O SDI é uma medida da capacidade de filtração,
na osmose reversa, da água de alimentação que passa através de um filtro de
membrana com uma porosidade definida. A maioria dos fabricantes de membranas
especificam um limite máximo do SDI como 4 a 5. No entanto, para o desempenho
estável da membrana, o valor médio de SDI deve ser inferior a 3 (WILF; KLINKO,
1997).
26
Portanto, o pré tratamento é de suma importância visando propiciar, à
membrana semipermeável utilizada na osmose reversa, uma vida útil longa e que
evite uma troca constante da membrana, o que elevaria os custos do projeto. A seguir,
serão apresentados os tipos de pré tratamento existentes.
2.7.1.1 Pré Tratamento Convencional
O pré tratamento convencional para a água de alimentação advinda da
superfície do mar pode ser realizado através de diferentes configurações. Contudo,
uma das mais utilizadas e a adotada por esse estudo foi a explicitada no material
bibliográfico da Hydranautics. Tal configuração é constituída por uma cloração no
ponto de entrada, até uma concentração residual de 0,5 a 1,0 ppm (partes por milhão),
seguido por processos de coagulação e de floculação sequencialmente.
Posteriormente, partículas coloidais agregadas são removidas ao passar por dois
filtros de pressão, chamados filtros multimídia (multimedia filters). Depois dos filtros
de mídia, e antes da filtração em cartucho (cartridge filters), o inibidor de incrustações
e o bissulfito de sódio são adicionados à água de alimentação (WILF; KLINKO, 1997).
Esta configuração do sistema de pré tratamento é eficaz na redução do SDI da
água bruta, produzindo, em sua saída, uma água de alimentação que possui valores
do SDI num intervalo entre 2 a 3 unidades. Independentemente da configuração real
do sistema de pré-tratamento, a faixa acima do SDI, para a água de alimentação, é
muito comum para a maioria das plantas de água salgada que recebem água do mar
a partir de admissão aberta, isto é, a partir de captação direta. No entanto, o pré
tratamento convencional não representa uma barreira definitiva para partículas
coloidais e partículas em suspensão. Além disso, a qualidade da água de alimentação
produzida, varia significativamente em relação ao tipo da matéria particulada (WILF;
KLINKO,1997). Outra tecnologia de pré tratamento mais moderna, que consiste na
utilização de membranas capilares, será discutida na próxima seção.
27
2.7.1.2 Membranas Capilares
O uso de membranas como uma barreira definitiva no processo de pré
tratamento já havia sido proposto no passado. As membranas de ultrafiltração (UF) e
de microfiltração (MF) têm a capacidade de produzir água de alimentação com
qualidade significativamente melhor do que o processo convencional de pré
tratamento. No entanto, a configuração mais estabelecida na época, que era a
membrana de ultrafiltração, que possui elementos enrolados em espiral, não era
adequada para o tratamento de água de superfície com alto potencial de causar
incrustação, visto que elementos das membranas UF não poderiam operar com taxas
de fluxo elevados sem acarretar em incrustações graves nas superfícies das
membranas e entupimento dos canais de alimentação. Todavia, recentemente, novos
avanços na microfiltração e ultrafiltração têm sido apresentados.
O uso da tecnologia de membrana capilar como uma etapa de pré tratamento
pode melhorar a qualidade da água de alimentação para um nível comparável ou
melhor do que a qualidade da água a partir das fontes de água advindas de poços
(GLUECKSTERN; WILF; PRIEL, 2002). Em comparação com a tecnologia
convencional, a tecnologia capilar oferece um design modular, alta capacidade a partir
de uma pequena área necessária para instalação, sem necessidade de manipulação
contínua e dosagem de produtos químicos e exigências baixas de mão de obra. A
grande vantagem, contudo, é inerente à tecnologia da ultrafiltração, já que existe uma
barreira de membranas entre a água bruta e a água que vai chegar à planta de
dessalinização, o que permite grande redução de partículas coloidais e agentes
patogênicos. O custo da utilização do tratamento prévio através da membrana capilar
é estimado como sendo semelhante ao custo do pré-tratamento convencional, que
normalmente é o mais utilizado para a água de superfície do mar. O uso de tal
tecnologia simplifica o sistema de pré tratamento e reduz a utilização de produtos
químicos (WILF; KLINKO,1997). Dessa forma, o futuro do desenvolvimento da
tecnologia das membranas capilares aponta para a sua utilização em substituição ao
pré tratamento convencional.
28
2.8 Definição do dessalinizador e da fonte de energia
Pensando na produção de água potável, é trivial pensar que a maior fonte de
água está presente nos oceanos, necessitando apenas de passar por um processo
de dessalinização que seja viável economicamente. Pois é justamente nos oceanos
que uma fonte de energia constante e confiável, apesar de ainda pouco explorada,
pode ser utilizada, a energia das ondas.
O objetivo deste estudo é conseguir combinar uma fonte de energia alternativa
com um processo de dessalinização de água do mar, de maneira que a fonte primária
de energia seja aproveitada diretamente para a conversão em energia útil. Assim, é
possível evitar todas as perdas de energia que ocorrem durante as etapas de
conversão e tornar o projeto viável economicamente, através da eficiência energética.
Portanto, este estudo visa testar uma maneira que permita abrir mão da produção e
armazenamento de energia elétrica, em troca de uma conversão direta de energia da
fonte primária em pressurização linear da água. Entretanto, existem algumas
desvantagens em substituir o bombeamento com utilização de energia elétrica. A
desvantagem principal é que o armazenamento de energia em baterias não é
possível. Assim, a planta precisa operar a partir de uma fonte de alimentação de
energia menos constante, uma vez que o método para condicionamento da energia,
em um sistema puramente hidráulico, é o acumulador. Além disso, tais flutuações de
energia são sentidas mais diretamente no sistema e podem resultar em vidas mais
curtas e desempenho mais fraco das membranas, no caso de a dessalinização ser
por osmose reversa (YLÄNEN; LAMPINEN, 2014).
Nos próximos capítulos serão apresentados meios através dos quais seja
possível realizar o aproveitamento de tal energia das ondas e o dispositivo
desenvolvido pelo Programa de Planejamento Energético da COPPE/UFRJ para
pressurização linear da água dos oceanos utilizando o movimento das ondas.
Contudo, o resultado final deste projeto é a potência requerida necessária para
pressurizar água do mar até a costa, deixando a dessalinização em aberto, visto que,
dependendo da região e da finalidade do projeto de obtenção de água potável, o tipo
de dessalinização pode variar.
29
3. Energia das ondas
Impressionados pela força das ondas do oceano, os inventores e
pesquisadores vêm, por mais de dois séculos, propondo muitos dispositivos diferentes
para a utilização da energia das ondas para fins humanos. Como o petróleo tornou-
se a mais importante fonte moderna de energia, o interesse pela utilização da energia
dos oceanos praticamente desapareceu após a Primeira Guerra Mundial. No final dos
anos 1940, o pesquisador pioneiro Yoshio Masuda, começou a testar e desenvolver
dispositivos de energia das ondas. Outros dois pioneiros foram os europeus, Stephen
Salter e Kjell Budal, que iniciaram, em 1973, suas pesquisas nas Universidades da
Escócia e da Noruega, respectivamente. Nos anos que se seguiram à crise do
petróleo em 1973, pesquisadores de universidades e outras instituições passaram a
abordar o tema da energia das ondas. Contudo, durante o início dos anos 1980,
quando o preço do petróleo caiu, o financiamento das energias das ondas foi
drasticamente reduzido. Alguns protótipos de primeira geração foram, no entanto,
testados no mar. Mais recentemente, seguindo o Protocolo de Kyoto sobre a redução
das emissões de gás carbônico para a atmosfera, há um crescente interesse pela
pesquisa e desenvolvimento em energia de ondas em muitos países (FALNES, 2007).
Utilizar as ondas como fonte de energia renovável possui vantagens
significativas sobre outros métodos, como descrito a seguir:
(1) As ondas do mar oferecem a maior densidade energética dentre as fontes
de energia renováveis. As ondas são geradas por ventos, que por sua vez são
gerados pela energia solar. A intensidade da energia solar, que vai de 0,1 a 0,3 kW
por metro quadrado de superfície horizontal é convertida em uma intensidade média
de fluxo de potência de 2 a 3 kW por metro quadrado de um plano perpendicular à
direção de propagação da onda logo abaixo da superfície da água.
(2) Impacto ambiental limitado. Em geral, os dispositivos offshore possuem o
menor potencial de impacto.
30
(3) As ondas podem viajar grandes distâncias com pouca perda energia.
(4) É relatado por estudos que os dispositivos de energia de ondas podem gerar
energia em até 90% do tempo, em comparação com 20 a 30% do tempo para
dispositivos de energia eólica e solar (DREW; PLUMMER; SAHINKAYA, 2009).
3.1 Equações da energia das ondas
As ondas são comumente caracterizadas pela altura da onda (H), que é a altura
média do terço mais alto das ondas. Este é o único parâmetro de onda disponível em
todos os oceanos. Vale ressaltar que uma outra definição alternativa desta altura de
onda, é que ela corresponde a quatro vezes o quadrado médio da elevação da água
(DAVIES, 2005).
A potência por unidade de comprimento da crista da onda, em um estado de
mar aleatório, em águas profundas, é de:
P = ρ g2 H2 T / 64 π
onde T é o período entre ondas, ρ é a densidade da água do mar e g é a
aceleração gravidade. A expressão seguinte relaciona T com o comprimento de
onda λ:
λ = g T2 / 2 π
Outrossim, H está relacionado com o comprimento de onda pelo parâmetro β,
que representa a inclinação da onda, de acordo com a expressão a seguir:
β = λ / H
A combinação destas expressões mostradas acima leva a:
31
P = ρ H2,5 √(2 g3) / 64 √ (π β)
O valor observado de β geralmente está dentro de uma faixa bastante
estreita, que vai de 0,03 a 0,05. Tomando um valor nominal de β = 0,04, podemos
estimar a energia em uma determinada onda com base apenas na sua altura.
Considerando as variáveis P e H sendo expressos em unidades de kW / m e m,
respectivamente, a relação pode ser simplificada e escrita da seguinte forma:
P = 2 H2,5
Contudo, as ondas provenientes dos oceanos são matematicamente
complexas e, dessa forma, sua descrição completa depende de vários parâmetros.
Então, uma modelagem estatística é importante para auxiliar no desenvolvimento do
projeto dos conversores de energia (DAVIES, 2005).
3.2 Conversores de energia das ondas
Apesar de grandes variações no desenho de projeto, os conversores de energia
das ondas geralmente podem ser categorizados em tipo e localização.
3.2.1 Localização
A classificação de tais conversores de energia das ondas quanto a localização
pode ser feita em três categorias:
(1) Shoreline: dispositivos que trabalham na costa;
(2) Nearshore: dispositivos que trabalham próximos à costa;
32
(3) Offshore: dispositivos que trabalham longe da costa.
3.2.2 Tipo
Apesar da grande variação de desenhos e conceitos, os conversores de
energia das ondas podem ser classificados em três tipos predominantes:
(1) Atenuador: ficam paralelos à direção predominante das ondas.
(2) Ponto absorvedor: é um dispositivo que possui pequenas dimensões
relativas ao comprimento de onda incidente. Eles podem ser uma estrutura
flutuante que suba e desça na superfície da água ou submerso, abaixo da
superfície, dependendo do diferencial de pressão. Por causa de sua
pequena dimensão, a direção das ondas não é importante para tais
dispositivos.
(3) Terminador: tais dispositivos terminadores têm o seu eixo principal paralelo
à direção da frente de onda (perpendicular à direção de propagação da
onda) e interceptam fisicamente as ondas (DREW; PLUMMER;
SAHINKAYA, 2009).
3.3 Dispositivos de Bombeamento
A seguir, serão descritos os dispositivos que utilizam a energia das ondas para
a realização do bombeamento de água, de forma parecida com que o flutuador,
desenvolvido pelo grupo de pesquisa do Programa de Planejamento Energético da
COPPE/UFRJ, trabalhará.
33
3.3.1 Delbuoy
3.3.1.1 Princípio de Operação
O Delbuoy é um sistema que trabalha combinando o aproveitamento da energia
das ondas com uma planta de dessalinização por osmose reversa. O sistema é
formado por uma bóia cilíndrica leve que impulsiona uma bomba de deslocamento
positivo. A bomba é ancorada ao fundo do mar por meio de uma âncora, do tipo dead
weight, cheia de areia. Os movimentos das ondulações que chegam ao flutuador
fazem com que a bomba movimente o pistão no sentido de pressurizar o fluido, que é
a própria água do mar. Água do mar é admitida na bomba através de pré filtros, que
estão ali para remover partículas em suspensão, melhorando a qualidade da água de
alimentação. O fluxo de água do mar pressurizada, a partir da bomba, é regulado por
válvulas de retenção, com os surtos de pressão sendo amortecidos por acumuladores.
A saída da bomba passa, então, através do filtro de osmose reversa, que é
configurado para operar a uma taxa de conversão que vai de 25 a 30%. A água doce
é então transportada para a costa através de uma tubulação plástica de baixa pressão.
A grande razão entre a área do flutuador e a área do pistão permite que o sistema
amplifique a pressão dinâmica induzida até a pressão de 5500 kPa (800 psi), que é a
pressão necessária para a realização do processo de osmose reversa. Embora a
maioria dos trabalhos na área de conversão da energia das ondas ser focado em
sistemas altamente eficientes e ressonantes, o Delbuoy foi propositadamente
concebido para ser um sistema que trabalha fora da ressonância. Esta filosofia de
projeto reduziu a complexidade do sistema e, por conseguinte, permitiu que ele fosse
operado eficientemente numa gama muito mais vasta de condições de mar. (HICKS,
1989).
3.3.1.2 Local
A pesquisa e o desenvolvimento do dispositivo, realizado na University of
Delaware, nos Estados Unidos, abrangeu testes de tanque de onda, modelagem
34
matemática, testes de materiais e ensaios de sistemas marítimos. A partir de 1985, a
comercialização do Delbuoy foi realizada pela ISTI Delaware, Inc. (HICKS, 1989).
3.3.2 AquaBuOY
3.3.2.1 Princípio de Operação
Os conversores de energia das ondas da AquaEnergy, empresa responsável
pelo desenvolvimento do flutuador, baseia-se no conceito de bóia de flutuação,
desenvolvido e patenteado por uma outra empresa parceira da AquaEnergy. A
transferência de energia do movimento das ondas do mar ocorre através da conversão
da componente vertical da energia cinética da onda em água pressurizada. Tal
conversão ocorre através de duas bombas mangueira (hose pumps) de ciclo
completo. A água é bombeada com o intuito de geração de energia, assim ela chega
até uma turbina Pelton, que possui um gerador convencional de eletricidade
(WEINSTEIN et al., 2004). Portanto, apesar do princípio de bombeamento ser
equivalente ao que desejamos implementar no projeto do Programa de Planejamento
Energético da COPPE/UFRJ, a finalidade do dispositivo aqui apresentado é diferente,
já que ele não tem como objetivo a produção de água dessalinizada.
Os conversores de energia das ondas do AquaBuOY são posicionados em
regiões offshore de forma a aproveitar o recurso das ondas onde elas são maiores e,
portanto, possuem maior energia. Dessa forma, os flutuadores não têm limitações de
densidade de potência que geralmente occorem com dispositivos que trabalham
onshore. As centrais elétricas offshore são flexíveis com relação ao tamanho, visto
que é possível, facilmente, instalar quantos flutuadores forem necessários no parque
de ondas. A profundidade da água na qual os osciladores trabalham variam de 150 a
250 pés e número total de conversores determina a capacidade da instalação. Ao
longo da costa oeste dos Estados Unidos e Canadá, é esperado que cada dispositivo
possa gerar até 250 kW de energia. Cada AquaBuOY possui, aproximadamente, de
15 a 20 pés de diâmetro, dimensionado de acordo com o grau de energia que se
35
deseja gerar e com o potencial energético usual dos mares no sítio de instalação. O
AquaBuOY consiste de dois componentes estruturais principais, que são eles o corpo
do flutuador e o tubo de aceleração, conforme pode ser visto na figura 6. O flutuador
exerce a função de se movimentar para cima e para baixo, devido às ondulações,
permitindo que a água seja admitida e descarregada do tubo de aceleração. Por outro
lado, o tubo de aceleração é um cilindro acoplado ao corpo do flutuador e aberto em
ambos os lados. Dessa forma, tal tubo permite a entrada e saída de água do mar sem
obstáculos em qualquer direção e o movimento alternado de água dentro do tubo atua
sobre o pistão, deslocando-o em fase em relação ao movimento do corpo do flutuador.
Sequencialmente, o movimento do pistão é então convertido em energia útil por um
PTO (Power Take-Off System), que são as bombas mangueira. A conversão final para
eletriicidade pode ocorrer tanto no mar quanto na costa, dependendo da configuração
do sistema (WEINSTEIN et al., 2004).
3.3.2.2 Local
A AquaEnergy Group Ltd., empresa responsável pelo desenvolvimento do
protótipo, foi formada em fevereiro de 2001, com o intuito de comercializar a tecnologia
de conversão das ondas em energia desenvolvida na Suécia. Nos Estados Unidos,
um consórcio está trabalhando na instalação de uma central de energia de onda em
Makah Bay, que fica localizada no estado de Washington (WEINSTEIN et al., 2004).
Figura 6 – AquaBuOY
Fonte: INHABIT (2007)
36
Abaixo segue a figura 7, representativa do flutuador do AquaBuOY:
Figura 7 – Flutuador do AquaBuOY
Fonte: INHABIT (2007)
3.3.3 McCabe Wave Pump
3.3.3.1 Princípio de Operação
O dispositivo McCabe Wave Pump é um exemplo de um dispositivo atenuador
e consiste em três “flutuadores de aço” (steel pontoons), que são articulados juntos
ao longo de uma viga. Com a incidência das ondas, os pontoons se movem
relativamente um ao outro. Uma placa amortecedora está posicionada abaixo do
pontoon central, o que garante que ele permaneça imóvel e que os pontoons mais
externos se movam relativamente ao pontoon central, permitindo ao sistema que
possa variar o seu alinhamento de acordo com as ondas adjacentes que incidem
sobre o dispositivo. Bombas hidráulicas posicionadas entre o pontoon central e os
37
dois pontoons laterais são ativadas à medida que as ondas forçam estes pontoons
laterais para cima e para baixo.
O fluido hidráulico pressurizado é utilizado para pressurizar a água para
dessalinização ou até mesmo para geração de energia elétrica, ao utilizar a água
pressurizada para acionar uma turbina. Um conceito similar é utilizado pela máquina
Pelamis, um dos mais tradicionais dispositivos de geração de energia a partir das
ondas, que tem quatro seções cilíndricas flutuantes de 35 metros de comprimento por
3,5 metros de diâmetro, ligadas por três juntas articuladas (POULLIKKAS, 2014).
Portanto, o conceito de bombeamento do McCabe Wave Pump também é diferente
do conceito aplicado no dispositivo que está sendo desenvolvido na COPPE/UFRJ,
visto que a pressurização da água não é levada até a costa. Seu conceito consiste
em pressurizar a água por uma distância curta e realizar a dessalinização por osmose
reversa ainda em regiões offshore. Um dos motivos pelos quais o flutuador da
COPPE/UFRJ, provavelmente, não vai trabalhar com dessalinização por osmose
reversa reside no fato de seu bombeamento ocorrer por longas distâncias,
impossibilitando que o fluido chegue ao seu destino com uma alta pressurização.
Contudo, o McCabe Wave Pump, tal como o Delbuoy, assume o risco de verticalizar
todo o seu processo de dessalinização, realizando tanto o bombeamento como a
dessalinização longe da costa. A figura 8 mostra uma representação do dispositivo
McCabe Wave Pump.
Figura 8 – McCabe Wave Pump
Fonte: MAYNOOTH UNIVERSITY (2011)
38
3.3.3.2 Local
O dispositivo McCabe Wave Pump foi desenvolvido pelo pesquisador Peter
McCabe e um time de engenheiros da empresa Hydam Technology Ltd., em conjunto
com Michael McCormick, pesquisador na The Johns Hopkins University, nos Estados
Unidos. Depois de ser idealizado por Peter McCabe, um protótipo de 40 metros foi
testado na costa da Irlanda em 1996, no estuário de Shannon River, próximo a Kilbaha
em County Clare, com uma potência de 40 kW (POULLIKKAS, 2014).
3.3.4 AaltoRo
3.3.4.1 Princípio de Operação
AaltoRO consiste em um conversor de energia do tipo WaveRoller, um gerador
adaptativo de pressão (APG), membranas padrão de Osmose Reversa e um
turbocompressor hidráulico, este último é utilizado para a realização de uma
recuperação de energia. Devido às suas características únicas, o padrão utilizado
para sistemas de osmose reversa não pode ser aplicado, desta forma, a solução do
sistema de dessalinização precisa ser customizada para tal dispositivo. Isso pode ser
exemplificado, espacialmente, no sistema de pré-tratamento escolhido, que difere dos
sistemas padrão. A pressão de operação ideal do AaltoRo foi determinada como
sendo de 45 bar, que é um valor abaixo do que o valor padrão, que fica na faixa de 60
a 65 bar. A operação a um nível de pressão de 45 bar permite que a taxa de
recuperação (recovery rate) seja mantida baixa, garantindo assim uma operação
segura para todo o sistema. O princípio de funcionamento é o seguinte:
primeiramente, o WaveRoller pressuriza a água do mar, já pré-filtrada a uma pressão
desejada. No sistema AaltoRO, o WaveRoller também abriga dois APGs, que visam
suavizar as flutuações de pressão causadas pela natureza oscilante das ondas. Em
segundo lugar, após a água ser pressurizada até a costa, são adicionados produtos
químicos, com o intuito de conter o crescimento biológico e a incrustação nas
membranas. Em terceiro lugar, um turbocompressor do tipo hidráulico atua como um
39
dispositivo de recuperação de energia e realiza uma pressurização da água do mar
até a pressão operacional desejada, utilizando energia derivada da salmoura. Em
quarto lugar, as membranas de osmose reversa realizam a dessalinização, onde o
produto final é a água com baixo índices de SDI. O pré-tratamento, entretanto,
apresenta desafios grandes ao oscilador. O WaveRoller, conversor de energia usado
pelo sistema AaltoRO, opera no fundo do mar, o que representa um desafio
considerável do ponto de vista técnico e econômico. A transferência da água do mar
até a costa é dispendiosa, porém realizável. O maior dos problemas surge justamente
no pré-tratamento da água do mar. Em sistemas de osmose reversa padrão, o pré-
tratamento é um processo multifásico complexo, realizado onshore, em parte por
necessidade, e em parte por questões econômicas. No sistema AaltoRO, todo o pré-
tratamento precisa ser feito no fundo do mar e, portanto, muitas das fases do processo
de pré-tratamento padrão não podem ser implementados, dificultando que se ache
uma solução (YLÄNEN; LAMPINEN, 2014). Nas figuras 9 e 10 serão mostradas as
partes principais do AaltoRO, que são: o WaveRoller, ou seja, o conversor de energia,
e o gerador adaptativo de pressão.
3.3.4.2 Local
O dispositivo de conversão de energia, WaveRoller, foi desenvolvido na
Finlândia, porém o sistema conhecido como AaltoRo ainda não passa da fase de
concepção, com estudos recentes buscando descobrir qual seria a pressão ótima de
operação do sistema. Dependendo da decisão sobre qual o nível de pressão é o mais
adequado para o funcionamento do sistema, o projeto operacional poderá ser focado
em uma direção desejada. Se o nível de pressão for muito elevado, o sistema será
forçado até o seu limite e, consequentemente, na teoria, a produção será aumentada.
No entanto, se o sistema é forçado até o seu limite, sua vida útil pode ser
comprometida e os custos de manutenção podem aumentar consideravelmente. Em
suma, é importante encontrar tal pressão de operação ideal, para permitir que a
operação seja viável, não só do ponto de vista econômico e financeiro, mas também
40
no sentido de garantir que o sistema seja robusto o suficiente para que os custos
operacionais não se tornem muito elevados (YLÄNEN; LAMPINEN, 2014).
Figura 9 – Concepção do WaveRoller
Fonte: YLÄNEN; LAMPINEN (2014)
Figura 10 – Concepção do Gerador Adaptativo de Pressão
Fonte: YLÄNEN; LAMPINEN (2014)
41
3.3.5 Seadog
3.3.5.1 Princípio de Operação
Este dispositivo de bombeamento consiste em um bloco de flutuação, dentro
de uma câmara, que é utilizado para acionar uma bomba pistão. Tal bomba pistão
bombeia a água do mar, sob alta pressão, até a costa, onde essa água pressurizada
é aproveitada com o objetivo de realizar a dessalinização por osmose reversa ou, até
mesmo, para a produção de eletricidade. Em uma instalação típica, vários flutuadores
são dispostos paralelamente, em um parque de ondas, visando produzir uma alta taxa
de fluxo para a água do mar, a uma elevada pressão. É possível aumentar o número
de dispositivos de bombeamento facilmente e, assim, expandir a capacidade do
sistema. Entretanto, uma desvantagem deste dispositivo é que ele não pode equalizar
a mesma frequência das ondas e, portanto, sua eficiência é baixa. Do ponto de vista
do impacto ambiental, este pode ser considerado de médio a alto, uma vez que o leito
do mar deve ser preparado para construir as estruturas de base para as bombas. Isto
inclui a remoção de rochas, o nivelamento do leito e a colocação de esteiras para
proteção contra a escavação. Por outro lado, do ponto de vista da manutenção, a
preocupação gira em torno da incrustação biológica que pode ocorrer dentro dos tubos
e das bombas, que estarão expostas as intempéries do mar. A planta de
dessalinização, porém, é estabelecida onshore, protegida de tais condições e
permitindo fácil acesso para manutenção (CENTER FOR RENEWABLE AND
SUSTAINABLE ENERGY STUDIES, 2013). Nas figuras 11 e 12, pode-se observar
fotos do flutuador.
3.3.5.2 Local
Testes realizados em um tanque de ondas na Texas A&M University, em
College Station, no Texas, provaram que o dispositivo pode gerar energia de forma
consistente. Os pesquisadores estão, agora, procurando criar um campo de testes em
uma área costeira capaz de fornecer swells consistentes do oceano (xGYMAG, 2004).
42
Figura 11 – Seadog
Fonte: GLOBAL OCEANIC DESIGNS (2013)
Figura 12 – Instalação do Seadog
Fonte: GLOBAL OCEANIC DESIGNS (2013)
43
3.3.6 Oyster
3.3.6.1 Princípio de Operação
A usina de dessalinização aqui descrita consiste em um conversor de energia
de onda do tipo Oyster diretamente acoplado a uma usina de dessalinização por
osmose reversa. O Oyster é um um conversor de energia de ondas que trabalha,
tipicamente, a uma profundidade de água de 12 metros. A ação das ondas no
conversor faz com que ele se mova para trás e para a frente e, tal movimento, é
resistido por uma bomba de dupla ação, que trabalha a alta pressão. Um conjunto de
válvulas de retenção retifica o fluxo da bomba de dupla ação para fornecer fluxo
unidirecional, isto é, em direção à costa. O fluxo é então condicionado usando um
acumulador cheio de gás de alta pressão, o que reduz as variações subsequentes de
pressão e fluxo. Além disso, para o caso de a pressão tornar-se demasiadamente
grande, existe uma vávula de alívio de pressão. A água pressurizada é alimentada
diretamente na planta de dessalinização por osmose reversa. O fluxo para as
membranas de osmose reversa é proporcionado por uma combinação de fluxo
diretamente produzido pela bomba de dupla ação, movida pelo conversor de energia
das ondas, e o fluxo impulsionado por um recuperador de energia, que atua na água
descartada. A água dessalinizada das membranas de osmose reversa é conduzida
até um recipiente de armazenamento de baixa pressão, enquanto a salmoura, isto é,
a água descartada rica em sais, é utilizada no dispositivo recuperador de pressão. Por
fim, a salmoura é devolvida ao mar. O sistema de recuperação de energia consiste
em dois cilindros e pistões opostos que compartilham a mesma haste do pistão.
Quando se utiliza tal sistema de recuperação de energia é possível manter o fluxo de
água de alimentação na membrana a uma taxa constante, o que amplia a faixa de
valores de produção de água na qual a planta pode operar. Por isso, o sistema de
recuperação de energia torna uma planta que combina energias renováveis, como a
energia das ondas, competitiva do ponto de vista da flexibilidade, e justamente essa
flexibilidade que o Oyster possui como maior vantagem (FOLLEY; WHITTAKER,
2009). A seguir, a figura 13 mostra uma representação do conversor de energia:
44
Figura 13 – Oyster
Fonte: FOLLEY; WHITTAKER (2009)
3.3.6.2 Local
O sistema de conversão de energia Oyster combinado com plantas de
dessalinização está em fase de pesquisas e ainda não foi implementado efetivamente.
Contudo, para a produção de energia na Escócia, a Aquamarine Power, empresa que
desenvolveu o dispositivo, reivindicou bons resultados após longos ensaios marítimos
de sua máquina de ondas Oyster 800. Os ensaios foram realizados no European
Marine Energy Centre em Orkney, na própria Escócia (BBC NEWS, 2015).
45
3.4 Oscilador do Programa de Planejamento Energético da
COPPE
O oscilador, desenvolvido pela Universidade Federal do Rio de Janeiro, no PPE
da COPPE, atualmente em fase de testes, pode ser categorizado como um ponto
absorvedor que trabalha em águas rasas, isto é, nearshore. A vantagem competitiva
em relação aos outros dispositivos é a aposta de que este dispositivo captará tanto a
energia potencial quanto a cinética das ondas, por isso poderá atuar em regiões rasas,
facilitando a sua instalação e manutenção, e, ainda assim, conseguirá produzir uma
quantidade de energia competitiva em relação aos dispositivos de conversão de
energia das ondas já existentes que atuam em águas profundas (offshore). Além
disso, o desenho de projeto do dispositivo possui uma configuração simétrica, o que
permite com que tal conversor possa aproveitar a energia de ondas que estão
chegando em múltiplas direções, ou seja, o swell não necessariamente precisa estar
vindo em um sentido específico para que a colheita da energia trabalhe em um ponto
ótimo.
Diferentes configurações e geometrias, tal como formas diferentes de realizar
um arranjo dos dispositivos, estão sendo estudadas pelo grupo de pesquisa visando
buscar um melhor aproveitamento da energia das ondas. A ideia é que o conversor
oscile dentro de uma estrutura de jaqueta que permite o seu movimento vertical, a
partir daí podendo pressurizar a água linearmente, que poderá ser bombeada ou
passar por uma turbina para que seja convertida em energia elétrica. A forma modular
do dispositivo e seu tamanho relativamente reduzido permitem com que ele possa ser
utilizado em regiões diferentes do Brasil e do mundo. Uma estimativa inicial, feita pelos
membros do grupo de pesquisa que estão trabalhando no desenvolvimento da
geometria e tamanho do flutuador, é a de que, para as condições de mar do litoral do
Ceará, o oscilador possa gerar aproximadamente 130 quilowatts de potência. Nas
figuras 14, 15, 16 e 17, seguem fotos de um protótipo em escala reduzida do oscilador,
primeiramente, parado, e depois, em um dos testes realizados no Instituto Nacional
de Pesquisas Hidroviárias (INPH), em parceria com a Marinha do Brasil. Nota-se que
o fio preto que sai do dispositivo é um acelerômetro a partir do qual é possível medir
46
a aceleração do dispositivo e, posteriormente, após derivar duas vezes, é possível
chegar ao deslocamento do dispositivo para um determinado período e frequência de
ondas.
Figura 14 – Foto 1 do Oscilador no INPH
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Figura 15 – Foto 2 do Oscilador no INPH
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
47
Figura 16 – Foto 1 do Oscilador em Teste
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Figura 17 – Foto 2 do Oscilador em Teste
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
48
3.4 Possibilidades de utilização do dispositivo e escolha da
dessalinização
O intuito desse estudo sempre foi analisar a potência requerida para que a água
do mar fosse linearmente pressurizada e bombeada até a costa. A partir daí, seria
possível escolher a melhor forma de realizar a dessalinização da água para gerar água
potável. Contudo, esta não é a única possibilidade de utilização do conversor de
energia, visto que é possível utilizá-lo para outras finalidades tais como: bombeamento
de água salobra para irrigação, no caso de o escopo do bombeamento não ser a
produção de água potável, e, claro, para a geração de energia. Mais à frente no
estudo, na próxima seção, será definido o local onde o projeto será aplicado como
estudo de caso. Portanto, apesar do caráter de intercambialidade ser o objetivo final,
de forma que este estudo possa ser aplicado em diferentes localidades, ao definir um
local onde o quebra mar seja muito distante da costa, será difícil pressurizar a água
para que esta atinja a pressão requerida para que a osmose reversa seja realizada.
Nesse contexto, a utilização do dispositivo ficará restringida ao bombeamento da água
salobra até a costa e, a partir desse momento, caberá a definição se a melhor
dessalinização a ser realizada é a dessalinização térmica ou a dessalinização por
osmose reversa. Vale ressaltar, que, caso a escolha seja feita pela dessalinização por
osmose reversa, a água deverá ser armazenada e pressurizada por bombas para
atingir a pressão necessária para que a osmose reversa ocorra.
Este estudo, como denotado anteriormente, visa realizar o bombeamento e a
dessalinização da forma mais eficiente possível e irá propor o bombeamento de água
até a costa somente com a utilização dos osciladores, isto é, sem a necessidade da
inclusão de bombas acionadas por eletricidade, tornando-o mais eficiente, já que não
precisará do input de energia externa ao sistema para a realização do mesmo.
49
4. Definição do local e do modelo de projeto
4.1 Sítio escolhido
Como já exposto anteriormente, uma das regiões com potencial energético das
ondas mais regular e frequente é a região do Nordeste. Por isso, o estudo de caso
que exemplificará a aplicabilidade do conceito deste estudo será feito no estado do
Ceará, mais especificamente na região do Pecém, visto que o potencial deste sítio é
um dos maiores e mais constantes do estado cearense. Por outro lado, o litoral do
Pecém é onde fica o porto do Pecém e, um pouco mais distante, a siderúrgica do
Pecém, esta que possui alta necessidade de abastecimento de água potável.
Ademais, a região Nordeste, periodicamente, vive problemas relacionados à seca.
Dessa forma, o abastecimento de água pode ser comprometido gravemente e a
dessalinização da água do mar pode vir a se tornar uma solução que permitirá que a
água de bacias e aquíferos sejam direcionadas à população, em vez de serem
comprometidas como recurso industrial. Abaixo segue a figura 18, foto da construção
da CSP, Companhia Siderúrgica do Pecém.
Figura 18 – Foto da CSP em construção
Fonte: AGÊNCIA DE DESENVOLVIMENTO DO ESTADO DO CEARÁ S.A.(2016)
50
Segundo Berthyer Peixoto (2014), chefe de gabinete da Companhia de Gestão
dos Recursos Hídricos do Ceará, ou COGERH, a água fornecida para o Complexo do
Pecém é de origem do açude Castanhão, o maior do América Latina. O volume
necessário para o abastecimento humano e das indústrias até janeiro de 2015 era de
400 milhões de metros cúbicos na região metropolitana de Fortaleza e Complexo do
Pecém. Com seca perseverante durante três anos, os açudes obviamente sofreriam
as consequências. E muitos secaram, comprometendo o abastecimento de alguns
municípios. Por isso, os municípios que estavam em regime diferenciado de
abastecimento foram mapeados e um estudo foi realizado para buscar alternativas
para a segurança hídrica. As consequências da seca também se refletiram na
agricultura do Ceará. Segundo Flávio Saboya (2014), presidente da Federação da
Agricultura e Pecuária do Estado do Ceará, ou FAEC, há racionamento de água na
irrigação, com restrição de dias, pois a prioridade é o consumo humano e a tendência
é piorar. A cultura permanente é a mais atingida, por necessitar de um tempo maior
de espera para colher a safra (TRIBUNA DO CEARÁ, 2014).
Em 2016, enfrentando o quinto ano consecutivo de seca, o Ceará sofre com a
escassez de água. Um dos setores que vem sentindo diretamente este impacto e se
preocupa com a situação é a indústria. Reaproveitamento e reuso da água, além de
projetos para promover o consumo consciente e verificação constante das instalações
hidráulicas, estão sendo adotadas por empresas localizadas no Complexo Industrial
e Portuário do Pecém, ou CIPP, em São Gonçalo do Amarante. Atualmente, a
Companhia Siderúrgica do Pecém, ou CSP, tem 100% da demanda da siderúrgica
abastecida pelo Governo do Estado, por meio da Companhia de Gestão dos Recursos
Hídricos. Nesta fase final de construção, o consumo de água ainda não atingiu o
previsto para a operação normal, que é de 0,6 m³/s, com potencial de redução para
0,45 m³/s a partir da implantação do Projeto Descarte Zero. Como alternativa para a
escassez de água no estado, a siderúrgica afirma que possui tecnologia de ponta
projetada para o consumo eficiente de água e investe em projetos para aperfeiçoar o
reuso de água, bem como alternativas de suprimento (ASSOCIAÇÃO DAS
EMPRESAS DO COMPLEXO INDUSTRIAL E PORTUÁRIO DO PECÉM, 2016).
Percebe-se que a importância dos açudes, fonte de água potável na região, para o
consumo humano e agricultura, é considerável. Por isso, alternativas para a indústria
51
precisam ser levantadas e esse estudo tem o intuito de levar inovação à região para
combater tais problemas relacionados à seca.
Portanto, a solução apresentada por esse projeto, propõe à CSP, localizada
em uma região que possui potencial energético dos oceanos considerável, a se tornar
autossuficiente em abastecimento de água, de uma forma energeticamente eficiente.
A ideia é que o bombeamento de água possa ser feito a partir do quebra mar, no porto
de Pecém, que fica a aproximadamente 3 quilômetros da costa. Quando a água
chegar à costa, a dessalinização a ser feita pode ser tanto por osmose reversa ou
térmica, porém, como a aplicação é industrial, a solução técnica da dessalinização
térmica é a mais recomendada, até pelo fato de o objetivo do estudo ser a substituição
das bombas elétricas por conversores de energia, aumentando a eficiência energética
global. Contudo, este estudo focará no bombeamento eficiente, deixando a
dessalinização térmica como uma recomendação a ser aplicada no porto do Pecém.
Um programa será criado no Microsoft Excel visando calcular qual a distância
um conversor com potência de 130 quilowatts consegue bombear, considerando as
perdas de carga globais e singulares. A partir desse ponto, será possível estimar
quantas estações de bombeio serão requeridas para que o bombeamento completo,
desde o quebra mar até a costa, seja realizado. Outra sugestão que será dada é
relativa ao cálculo inverso, ou seja, será proposta uma configuração de dutos e
sugerido qual a potência o oscilador precisaria alcançar para realizar o bombeamento.
A ideia inicial é colocar um conversor e dar um espaço suficiente para colocar o
próximo, de maneira que os fenômenos de difração e refração das ondas, ao incidir
no primeiro oscilador, não afetem a captação de energia do próximo oscilador. Como
o destino final da água bombeada é a siderúrgica do Pecém, que fica a cerca de 7
quilômetros do porto do Pecém, a água potável, após a dessalinização, ainda
precisará ser transportada até o destino final. Esse último transporte ficará fora do
escopo desse estudo.
52
4.2 Captação da água no Porto do Pecém
Oportunamente, como pode-se notar na figura 19, o sítio do Pecém possui um
acúmulo de água na região lateral do quebra mar que realiza uma pré filtragem da
água, facilitando a captação indireta da água do mar através de uma bomba de
recalque.
Figura 19 – Pré Filtragem na Região do Pecém
Fonte: Elaborada pelo Autor no Google Earth (2016)
Esse estudo não entrará no mérito de projetar tal bomba, porém, há no grupo
de pesquisa do Programa de Planejamento Energético da COPPE/UFRJ, alunos da
engenharia mecânica trabalhando com este tema, e que poderão unir seus estudos a
este visando a implementação real do projeto.
4.3 Arranjo dos dispositivos no quebra mar
É sabido que a potência requerida para realizar o bombeamento desde o
quebra mar até a costa não será uma potência baixa, mesmo antes da realização de
qualquer cálculo. Por isso, é previsto que seja necessário combinar a potência de
53
vários osciladores trabalhando em conjunto de forma que possa vencer toda a perda
de carga a qual o escoamento estará submetido dentro desses 3000 metros de
tubulação. A primeira dúvida que surge é quanto ao efeito de difração e refração das
ondas nos osciladores, isto é, estando os dispositivos trabalhando em série, qual a
potência que o segundo oscilador poderia gerar, caso a onda perdesse energia ao
incidir no primeiro oscilador. A resposta para essa pergunta é bastante satisfatória ao
analisar o sítio escolhido para a implementação do projeto e a resposta virá da tese
de doutorado do pesquisador Eliab Beserra (2007), que apresenta um tratamento
estatístico para potência, altura e, o mais importante para esta seção, a direção a qual
a onda atinge a costa.
As ondas que atingem o litoral do Ceará são formadas de duas diferentes
formas: por ondas que se formam através da ação do vento local e pelas ondas que
chamadas swell, que são sazonais. Sabendo que a região possui mais de 75% das
ondas que atingem o litoral com uma altura que varia de 1,25 a 2 metros, é possível
inferir que existe uma boa regularidade ao longo do ano. Além disso, o período das
ondas é pequeno, variando de 5 a 9 segundos, com uma direção pouco variada,
conforme demonstrado na figura 20 (BESERRA, 2007). Portanto, a região do Pecém,
situada no litoral do Ceará, é considerada uma ótima região para instalação de uma
planta de dessalinização combinada com a energia das ondas.
Figura 20 – Direção de Ondas no Pecém
Fonte: BESERRA (2007)
54
Na figura 20, retirada da tese do Eliab Beserra (2007), é possível notar que
mais de 30% das ondas que chegam à costa do Pecém na direção ESE (entre o leste
e o sudeste) e, em torno de 20%, chegam à costa na direção leste. Por isso, uma
configuração como mostrada na figura 40, se mostra perfeita uma vez que as ondas
atingirão os osciladores, num grau estatístico elevado, de forma igual, ou seja, na
direção entre leste e sudeste. Na figura 21, é possível reparar uma bússola no canto
superior direito que possui um marco branco que indica a direção norte. Os pontos
marcados em vermelho e azul mostram uma configuração possível para os
osciladores de forma que recebam as ondas na direção supracitada, a mais provável
de chegada da ondulação. Consequentemente, os osciladores não serão impactados
pelos efeitos de refração e difração das ondas e o arranjo dos dispositivos se mostra
uma solução possível. Mais a frente nesse estudo, será apresentado o conceito das
estações de bombeio e como o arranjo dos osciladores, dessa maneira, ajudará na
concepção do projeto.
Figura 21 – Arranjo dos Osciladores
Fonte: Elaborada pelo Autor no Google Earth (2016)
55
4.4 Dessalinização térmica
A dessalinização definida para esse estudo foi a dessalinização térmica por ser
alternativa mais viável à proposta de bombear água até a costa. Além disso, apesar
do custo fixo ser maior, seu custo operacional é menor, evitando problemas com
manutenção e troca de membranas, muito comuns na dessalinização por osmose
reversa. A dessalinização térmica, recomendada por esse estudo, será realizada
através do programa desenvolvido pelo pesquisador Rodrigo Klim Gomes (2011) em
sua tese de mestrado “A Dessalinização Térmica Como Alternativa Para
Abastecimento de Água”. Segundo Klim (2011), a dessalinização térmica pode ser
feita por um sistema horizontal ou vertical. Os dessalinizadores horizontais são
amplamente utilizados, contudo, em seu trabalho, foi utilizada a configuração vertical.
O sistema é dividido em câmaras, ou células, que no caso em estudo estarão
dispostas verticalmente. Os elementos que compõem o sistema de dessalinização
térmica são: câmara de dispersão (flash chamber), evaporador, filtro, pré-aquecedor,
misturador de vapor e misturador de condensado. Além disso, na última célula,
encontra-se também o condensador de vapor (GOMES, 2011). Na figura 22, é
possível notar o esboço do sistema vertical.
O resultado do trabalho do Rodrigo Klim Gomes (2011) foi um programa
desenvolvido em Microsoft Excel e Visual Basic que possibilita a visualização de
diversos cenários de maneira rápida, permitindo a alteração de diversos parâmetros
do problema, englobando, inclusive, a estimativa de custos do projeto. Portanto, esse
projeto recomenda a utilização da ferramenta desenvolvida citada acima para
dimensionamento da planta de dessalinização térmica.
56
Figura 22 – Sistema Vertical de Dessalinização Térmica
Fonte: GOMES (2011)
57
5. Estudo de casos
Neste capítulo, mostrar-se-á a metodologia que foi utilizada para a realização
dos cálculos e serão analisados os resultados obtidos a partir do modelo criado no
programa Microsoft Excel, onde é possível combinar parâmetros de forma a encontrar
diferentes soluções para o problema do bombeamento. Em tal modelo, é possível
escolher algumas entradas para as variáveis explicadas abaixo. Além disso, alguns
parâmetros definidos para os cálculos serão mostrados e justificados:
(1) Material: a escolha fica entre dois materiais que são eles aço galvanizado
(aço consagrado na utilização em dutos submarinos) e o HDPE (polietileno
de alta densidade e com menor atrito que o aço).
(2) É possível definir também a profundidade do mar no local onde o oscilador
trabalhará e a elevação do destino final, variáveis importantes para o cáculo
da altura manométrica, proveniente do Teorema de Bernoulli. Na planilha
estes valores já estão definidos para o quebra mar e porto do Pecém.
Porém, quando o projeto for aplicado para uma outra região, bastará alterar
tais valores para o programa gerar cenários para a nova região.
(3) O comprimento da tubulação também pode ser modificado nos mesmos
moldes e motivos do item anterior.
(4) A eficiência global da planta de dessalinização e a eficiência do oscilador
também podem ser modificados. Para os cálculos que serão realizados a
seguir, foram definidos os valores de eficiência de 20% para a planta de
dessalinização e o valor de 80% como eficiência do oscilador. Ainda não
possuímos tais valores exatos, por isso a escolha se baseou em plantas de
58
dessalinização já existentes e um valor médio de eficiência de uma bomba
pistão.
(5) A demanda de água da siderúrgica também pode ser modificada. A entrada
de 0,45 m3/s foi escolhida por motivos já explicitados no capítulo 4 deste
estudo.
(6) Um problema encontrado nos primeiros resultados obtidos foi o de que a
ordem de grandeza da potência requerida para bombear a água até a costa
era muito maior do que a potência oferecida por um oscilador. A solução
encontrada para reduzir a perda de carga foi dividir o bombeamento em
vários dutos, de forma a reduzir a vazão e, consequentemente, diminuir a
perda de carga. Assim é possível conseguir resultados de potência
requerida mais próximos da potência oferecida pelo oscilador. Então,
também é possível escolher a entrada do número de dutos na planilha.
(7) Os valores referentes às perdas de carga localizadas, isto é, nas
singularidades, foram retirados do livro texto “Bombas Industriais” do
professor Reinaldo de Falco (1998), da engenharia mecânica da Escola
Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro.
Com tais restrições devidamente estabelecidas, é possível modificar a planilha
livremente de forma a encontrar a melhor solução técnica possível na realização do
bombeamento. Tal estudo não entrará no mérito de definir qual das soluções é mais
viável economicamente, contudo este projeto fornece as ferramentas necessárias
para comparar diversas soluções e escolher aquela que for mais viável tanto
economicamente quanto do ponto de vista técnico da instalação e manutenção dos
dutos. Outrossim, também será comentado, posteriormente, a ideia da instalação de
estações de bombeio, que foi mais uma solução encontrada para atingir a potência
requerida para o bombeamento a ser executado.
59
5.1 Cálculo das perdas de carga
O cálculo das perdas de carga dependerá da extensão da tubulação a ser
instalada no porto de Pecém, de sua altimetria e dos materiais a serem utilizados nos
dutos. Para realizar tais medições será utilizado o auxílio da ferramenta Google Earth,
visando obter, não só o comprimento total de tubulação necessária, mas também os
trechos que serão definidos para o cálculo das perdas de carga localizadas. O
dispositivo deverá trabalhar próximo do quebra mar do porto de Pecém, tão próximo
que se possa construir uma passarela unindo as duas estruturas para passagem à
pés, de maneira que se possa realizar a travessia de maneira facilitada. Por isso, o
oscilador deve ficar não mais distante que 30m do quebra mar. Abaixo, na figura 23,
segue imagem da medição aproximada do caminho da tubulação, desde o quebra
mar, até o Porto do Pecém:
Figura 23 – Caminho da Tubulação até o Porto do Pecém
Fonte: Elaborada pelo Autor no Google Earth (2016)
Apesar de a medição do Google Earth mostrar uma profundidade de 11
metros no quebra mar, segundo o pesquisador Eliab Ricarte Beserra (2007), dados
atualizados mostram que tal valor é de 17 metros e, por isso, esta foi a entrada na
planilha. Uma outra observação a se ressaltar é que o ponto final e objetivo de
60
atendimento é a siderúrgica de Pecém, que fica ainda a uma determinada distância
do porto. Apesar de não ser o papel desse estudo realizar a segunda parte do
bombeamento, a sugestão é que esta segunda parte da linha de dutos procure
seguir o trajeto da esteira de desembarque de carvão, que liga o porto à planta da
siderúrgica, pois já é um espaço que lhes pertence. Desta maneira, ainda
precisariam ser percorridos em torno de 7 quilômetros com os dutos, segundo as
distâncias do Google Earth, como pode ser visto na figura 24.
Figura 24 – Caminho da Tubulação até a CSP
Fonte: Elaborada pelo Autor no Google Earth (2016)
As perdas de carga são um fenômeno que ocorre no escoamento de fluidos
em dutos, consequência da dissipação de energia causada pelo atrito entre as
61
partículas do fluido e a parede da tubulação. A explicação reside no fato de as
partículas mais próximas à parede possuírem a mesma velocidade da mesma, ou
seja, velocidade nula. Através de viscosidade e turbulência, as partículas passam a
influir nas partículas ao seu redor, acarretando na dissipação de energia e
provocando um abaixamento da pressão total do fluido ao longo do escoamento.
Existem dois tipos de perdas de carga, que são elas a perda de carga distribuída, ao
longo do comprimento da tubulação, e as perdas de carga localizadas, que são
ocasionadas por singularidades como conexões, válvulas e curvas.
O método escolhido para o cálculo da perda de cargas foi o método do
comprimento equivalente, que consiste em fixar o valor do comprimento reto de
tubulação que reproduziria, nas mesmas condições, a mesma perda carga que a
singularidade em questão (RODRIGUES, 2011). Os comprimentos equivalentes das
singularidades existentes na tubulação são “somados” ao comprimento físico da
tubulação proporcionando um comprimento equivalente, isto é, soma-se ao
comprimento original a ser vencido pelo oscilador, um comprimento referente às
perdas de carga localizadas. Por exemplo, se o comprimento da tubulação é de 10
metros e as perdas de cargas correspondem a uma tubulação de 2 metros, a potência
de bombeamento requerida seria a necessária para vencer 12 metros de tubulação.
Portanto, tal comprimento equivalente possibilita abordar o sistema de transporte de
fluido como se consistisse em um único conduto retilíneo. Nessa condição a perda de
carga total do sistema pode ser analisada, nas equações, substituindo o comprimento
inicial das tubulações submarinas pelo comprimento equivalente.
No estudo em questão, o comprimento de tubulação a ser vencido, do quebra
mar até a costa, é de 3000 metros, sem considerar as perdas de carga por
singularidade. Na planilha tais perdas são consideradas, porém são quase que
desprezíveis devido ao grande comprimento requisitado. Mais à frente, esse
comprimento pode ser dividido em estações de bombeio, visando facilitar o trabalho
exigido e diminuir a potência requerida para vencer os trajetos, que serão menores. A
seguir serão definidos os trechos a serem calculados e as perdas de carga localizadas
consideradas nos cálculos.
62
5.2 Estações de bombeio
O conceito das estações de bombeio é dividir a potência requerida aos
osciladores por diversos dispositivos. Entretanto, a primeira dúvida que surge é quanto
aos fenômenos de difração e refração das ondas, isto é, a questão é se seria possível
ao segundo oscilador gerar a mesma potência que o primeiro, uma vez que parte da
energia da onda já haveria sido destruída previamente. A resposta a esse
questionamento está no padrão das ondas no sítio. Cerca de 35% das ondas chega
na direção sudeste e, por isso, é possível posicionar as estações de bombeio
conforme na figura 40, apresentada anteriormente.
Na figura 40, é possível reparar que o arranjo permite que todos os osciladores
possam receber a maior parte das ondas que chegam à costa, na direção entre leste
e sudeste, no sítio do Pecém. No capítulo 4, foi explicado o porquê da escolha do
Pecém como sítio e foi mostrado estudos que definem as probabilidades de direção
de chegada das ondas à costa cearense. Dessa forma, os efeitos de difração e
refração das ondas ficam reduzidos e é possível sim utilizar o conceito de estações
de bombeio para a realização do bombeamento. Contudo, o último oscilador precisa
estar antes do fim do quebra mar, ou seja, ele precisará bombear o equivalente à 2000
metros.
É possível pensar, inclusive, em diferentes tamanhos de diâmetro em cada
estação de bombeio, de forma a garantir o menor custo possível para a instalação e
manutenção dos dutos. Por exemplo, pode-se vislumbrar um cenário onde, a última
estação, que precisa bombear por 2000 metros, utilize uma vazão dividida por 15
dutos, enquanto os primeiros 1000 metros de bombeamento sejam contemplados por
diversas estações que garantam o bombeamento com uma necessidade menor de
dutos e diminuindo o custo final do projeto. Uma vez mais reitera-se que a ferramenta
que este estudo disponibiliza permite conjecturar diversos cenários e combinações de
possibilidades para a solução do bombeamento, sendo que cada sítio onde o projeto
puder ser aplicado, possui suas peculiaridades e, portanto, cenários diferentes dos
escolhidos para o porto do Pecém podem ser aplicados em outros lugares.
63
5.3 Método do comprimento equivalente aplicado
A perda de carga distribuída será calculada nos três trechos retos (B-C) e (C-
D), enquanto a perda de carga localizada será calculada para o trecho (A-B) e para
as válvulas de entrada e saída dos dutos. A segmentação do trecho reto se deu de
forma a facilitar a divisão das estações de bombeio. Como o quebra mar facilita a
conexão com a estação, colocar-se-á como limite da última estação o fim do quebra
mar. Portanto, ao último oscilador, será requisitado uma potência que vença o trecho
(C-D). Abaixo segue a divisão dos trechos:
(A-B): Curva de 90 graus no quebra mar.
(B-C): Trecho de 1000 metros até o fim do quebra mar.
(C-D): Trecho de 2000 metros do fim do quebra mar até o porto.
Vale ressaltar, novamente, que as perdas de carga localizadas são
praticamente desprezíveis quando comparadas a perda de carga distribuída, portanto,
ainda que exista divisão da vazão em diversos dutos e a perda de carga localizada
seja multiplicada pelo número de tais dutos, o efeito no saldo final da potência
requerida é pequeno e não compromete a melhora do resultado final.
5.4 Programa desenvolvido no Microsoft Excel
O intuito desta seção é apresentar as telas disponíveis na ferramenta Microsoft
Excel, de forma que, na próxima seção, apenas a tela com os resultados seja
apresentada, visando que as figuras não se tornem repetitivas. As figuras 25, 26, 27
e 28, a seguir, são referentes às telas do estudo de caso do cenário 1, a ser
apresentado na próxima seção, porém são mostradas aqui para identificação das telas
disponíveis no programa.
64
Figura 25 – Tela dos Parâmetros Iniciais
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Figura 26 – Tela dos Cálculos Iniciais
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Figura 27 – Tela dos Comprimentos Equivalentes
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
65
Figura 28 – Tela dos Cálculos Finais
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
É possível perceber que são 4 telas principais, onde a primeira delas diz
respeito à parâmetros já conhecidos e à entrada de dados importantes tais como o
material do duto, à estimativa do diâmetro e ao número de dutos necessário. Já a
segunda tela refere-se a cálculos iniciais e à definição do número de Reynolds e do
regime de escoamento. A terceira tela, por sua vez, fornece a entrada das
singularidades e seus respectivos valores de comprimento equivalente. Por fim, à
quarta tela mostra os resultados finais dos cálculos, como os valores da perda de
carga, altura manométrica e da potência requerida.
5.5 Estudo de Caso
5.5.1 Estudo de Caso – Cenário 1
O primeiro cenário buscou conseguir realizar o bombeamento, através dos
3000 metros, com um duto de aço galvanizado e sem estações de bombeio, isto é,
com apenas um oscilador que fornece a potência de 130 kW. Neste primeiro cenário,
ainda não havia sido colocada a possibilidade de modificação do material para o
HDPE, que, nos próximos cenários, impactarão positivamente os resultados devido a
redução do atrito e, consequentemente, da perda de carga. Neste cenário, foram
66
testados três diâmetros de duto possíveis. Abaixo, seguem as figuras 29 e 30
referentes aos resultados dos cálculos realizados na planilha, primeiramente para
dutos de 40 polegadas, onde a vazão precisou ser dividida por 8 dutos para a
realização do bombeamento.
Figura 29 – Parâmetros Iniciais do Cenário 1 com Diâmetro de 40 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Figura 30 – Cálculos Finais do Cenário 1 com Diâmetro de 40 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
67
Portanto, a representação da configuração dos dutos pode ser observada na
figura 31:
Figura 31 – Configuração dos Dutos do Cenário 1 com Diâmetro de 40 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Nas figuras 32 e 33, estarão os resultados para dutos de 20 polegadas e a
necessidade da divisão da vazão em 16 dutos de forma que a potência requerida pelo
bombeamento fique abaixo de 130 kW.
Figura 32 – Parâmetros Iniciais do Cenário 1 com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
68
Figura 33 – Cálculos Finais do Cenário 1 com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Assim, a configuração dos dutos fica expressa tal como na representação da
figura 34:
Figura 34 – Configuração dos Dutos do Cenário 1 com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
69
Os testes realizados para dutos de 10 polegadas ficaram com uma potência
requerida com ordem de grandeza excessivamente grande e a solução ficaria
inviabilizada do ponto de vista prático, uma vez que a vazão precisaria ser divida entre
dezenas de dutos. Abaixo, segue a figura 35 com a potência requerida para o
bombeamento em 1 duto de 10 polegadas:
Figura 35 – Cálculos Finais do Cenário 1 com Diâmetro de 10 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Em suma, nesse primeiro cenário tem-se uma solução tecnicamente possível,
onde a potência requerida ao bombeamento ficou em 121 kW e 122 kW, para os dutos
de 40 e 20 polegadas, respectivamente. Porém, são 8 dutos de 40 polegadas ou 16
dutos de 20 polegadas. A partir deste ponto, buscou-se alternativas para melhorar a
solução a partir do próximo cenário.
5.5.2 Estudo de Caso – Cenário 2
Neste segundo cenário se modificou o material para o HDPE (High Density
Polyethylene), conhecido em português como PEAD (Polietileno de Alta Densidade),
porém, como já exposto anteriormente, o aço continua sendo uma opção da planilha
em caso dessa ser a escolha em futuros projetos. Ainda se mantém a ideia de
realização do bombeamento com apenas um oscilador, sem estações de bombeio.
Este cenário visa descobrir qual a diferença a mudança de material acarretou nos
resultados finais do cálculo da potência requerida. Abaixo, segue, primeiramente, as
figuras 36 e 37 com os resultados referentes à 40 polegadas:
70
Figura 36 – Parâmetros Iniciais do Cenário 2 com Diâmetro de 40 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Figura 37 – Cálculos Finais do Cenário 2 com Diâmetro de 40 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Percebe-se em tais resultados que, para dutos de 40 polegadas, a mudança da
potência requerida foi muito pequena com a mudança do material. Além disso, foi
necessário a manutenção da divisão da vazão em 8 dutos para a realização do
bombeamento e a configuração dos dutos é mesma da figura 31. Abaixo, seguem as
figuras 38 e 39 com os resultados para dutos de 20 polegadas:
71
Figura 38 – Parâmetros Iniciais do Cenário 2 com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Figura 39 – Cálculos Finais do Cenário 2 com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Diferentemente do caso dos dutos de 40 polegadas, para o duto de 20
polegadas pode-se observar uma redução do número de dutos necessários de 16
para 15 dutos, e ainda uma folga maior na potência requerida em relação à potência
do oscilador, visto que no cenário 1, a potência requerida era de 122 kW e agora
passou a 119 kW com um duto a menos. Portanto, é possível inferir que para dutos
de 40 polegadas o efeito da mudança do material não se mostrou eficaz, enquanto
que para dutos de 20 polegadas a modificação foi exitosa. A seguir, a figura 40
representa esta nova configuração de dutos para o material HDPE.
72
Figura 40 – Configuração dos Dutos do Cenário 2 com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
5.5.3 Estudo de Caso – Cenário 3
No cenário 3, inserir-se-á na análise as estações de bombeio. Para este
contexto, pode-se combinar diversas possibilidades de estações de bombeio,
podendo inclusive variar o número de dutos dependendo do trecho analisado, uma
vez que as diferenças de altura a serem vencidas se modificam de trecho para trecho.
A única restrição a ser respeitada é a de que o último trecho precisará ser ao fim do
quebra mar, por uma questão de facilidade de acesso para manutenção dos
dispositivos. A configuração escolhida para o cenário foi a de colocar quatro
osciladores dentro do primeiro terço do comprimento total, de 1000 metros, e depois
73
mais um quinto oscilador que bombeia o restante do caminho. O diâmetro escolhido
para o cenário foi o de 20 polegadas e os resultados seguem nas figuras 41, 42 e 43:
Figura 41 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Primeiro Trecho com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Figura 42 – Comprimentos Equivalentes do Cenário 3: Primeiro Trecho com Diâmetro de 20
polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Figura 43 – Cálculos Finais do Cenário 3: Primeiro Trecho com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
74
Nas figuras acima repara-se que para esse primeiro segmento de 250 metros,
a altimetria varia de uma profundidade de 17 metros até uma profundidade de 11
metros. Ademais, serão precisos 4 dutos de 20 polegadas para realizar o
bombeamento, a uma potência requerida de 119 kW. Vale ressaltar também, na figura
acima, que este primeiro segmento de 250 metros é o único onde a perda de carga
da curva será computada, pois é a única curva presente no total dos 3000 metros. A
seguir, as figuras 44, 45 e 46 tratarão do segundo trecho que vai de 250 metros até
550 metros de comprimento. Neste trecho foi possível percorrer 300 metros, uma
distância de 50 metros maior que o trecho anterior. Isso ocorreu uma vez que a
variação da altimetria deste segmento foi menor do que a variação do primeiro trecho.
Os trechos subsequentes, ou seja, o terceiro e o quarto, a serem mostrados
posteriormente, terão comprimento de 200 metros. Essas distâncias foram escolhidas
de forma a sempre atingir uma potência requerida perto dos 130 kW disponíveis em
cada oscilador, dessa forma maximizando o potencial de cada dispositivo.
Figura 44 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Segundo Trecho com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
75
Figura 45 – Comprimentos Equivalentes do Cenário 3: Segundo Trecho com Diâmetro de 20
polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Figura 46 – Cálculos Finais do Cenário 3: Segundo Trecho com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Observa-se que a potência requerida ficou em 117 kW, novamente para a
vazão dividida em 4 dutos. A seguir, poderá ser visto a análise do terceiro trecho nas
figuras 47 e 48:
Figura 47 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Terceiro Trecho com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
76
Figura 48 – Cálculos Finais do Cenário 3: Terceiro Trecho com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Nota-se que neste terceiro trecho, consegue-se reduzir o número de dutos para
três e o mesmo acontecerá no quarto trecho, que irá de da posição de 750 metros até
950 metros, deixando, para o último oscilador, a incumbência de bombear os últimos
2050 metros. Abaixo, seguem os resultados do quarto trecho nas figuras 49 e 50:
Figura 49 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Quarto Trecho com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
77
Figura 50 – Cálculos Finais do Cenário 3: Quarto Trecho com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
A potência requerida para este quarto trecho ficou limitada a 117 kW. Nesse
momento, a análise passa ao trecho mais desafiador que é o último e de maior
comprimento. Abaixo, seguem as figuras 51 e 52, relativas a tal segmento:
Figura 51 – Parâmetros Iniciais do Cenário 3: Quinto Trecho com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
78
Figura 52 – Cálculos Finais do Cenário 3: Quinto Trecho com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Neste último trecho, a potência requerida ficou em 126 kW e, portanto,
exequível. Necessita-se, no entanto, de 11 dutos para realização do bombeamento
neste último trecho. Portanto, a configuração das estações de bombeio, mostrada na
figura 53, se apresenta assim:
(1) Primeiro trecho: 4 dutos de 20 polegadas por 250 metros.
(2) Segundo trecho: 4 dutos de 20 polegadas por 300 metros.
(3) Terceiro trecho: 3 dutos de 20 polegadas por 200 metros.
(4) Quarto trecho: 3 dutos de 20 polegadas por 200 metros.
(5) Quinto trecho: 11 dutos de 20 polegadas por 2050 metros.
Algumas observações pertinentes com relação a este cenário 3 serão
colocadas aqui. A primeira delas é que, neste cenário, diversas combinações de
respostas são possíveis ao se variar os comprimentos de cada trecho, o diâmetro dos
dutos e o número de dutos a ser utilizado em cada trecho. Por isso, existe uma
infinidade de possibilidades de soluções técnicas utilizando as estações de bombeio,
onde nosso único cerceamento é relativo ao fim do quebra mar, tornando mandatório
que o trecho final seja de pelo menos 2000 metros e, portanto, necessite utilizar uma
quantidade maior de dutos para o bombeamento. O cenário 3, dentre todos os
79
cenários, indubitavelmente, se mostra como o mais desafiador para escolha da
solução que será implementada na região do Pecém. Uma análise econômica e de
viabilidade profundas precisam ser feitas para escolher, dentre as inúmeras
possibilidades, aquela que melhor se adequa às características da região e que seja
competitiva do ponto de vista financeiro. Outrossim, também vale ressaltar, com
exceção feita à profundidade do mar na região do Pecém, que as outras
profundidades foram retiradas da ferramenta “Google Earth” e, logo, sua
confiabilidade precisa ser questionada. Dessa forma, esse estudo recomenda que tais
profundidades sejam medidas no ambiente real e, se preciso, os cálculos refeitos no
programa.
Figura 53 – Configuração dos Dutos do Cenário 3 com Diâmetro de 20 polegadas
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
80
5.5.4 Estudo de Caso – Cenário 4
O cenário 4 será diferente dos anteriores, visto que, até este ponto, todos os
cenários visavam atingir a potência requerida para a dessalinização, estimando o
diâmetro inicial dos dutos e o número de dutos a ser utilizado, baseado na potência
de 130 kW oferecida pelo oscilador existente. No entanto, o cenário aqui alvitrado
realizará o cálculo inverso, isto é, serão definidos o diâmetro do duto e sua
configuração e, a partir daí, será calculado o quanto de potência o oscilador deveria
ter para realizar o bombeamento. Dessa forma, a oportunidade de pesquisa e
desenvolvimento de novos osciladores de tamanhos maiores ou, até mesmo, com
geometrias diferentes, será aberta. O cenário se dividirá em dois casos principais, que
mostram soluções técnicas onde o desenvolvimento de osciladores que atinjam 500
kW, 750 kW e 1000 kW é requisitado. Para a realização dos cálculos, partir-se-á do
pressuposto que não é desejável a instalação de mais de um duto por segmento de
estação de bombeio, ou seja, neste cenário não será desejável a divisão da vazão
nas tubulações. Além disso, o material do duto a ser empregado será o HDPE, já que
apresentou os melhores resultados nos cenários precedentes.
O primeiro caso, a ser sugerido a seguir, propõe um bombeamento com duas
estações de bombeio. A primeira sendo estabelecida na região do quebra mar e a
segunda ao fim do quebra mar, isto é, o primeiro oscilador bombearia por 1000 metros
enquanto o segundo por 2000 metros até a costa. Para tal caso, o diâmetro escolhido
foi o de 40 polegadas, uma vez que valores menores acarretariam na necessidade de
divisão na vazão, o que não é desejado neste cenário. Os resultados demonstrados
nas figuras 54, 55, 56 e 57, indicam que, no primeiro trecho, é necessário a
implementação de um oscilador que consiga produzir uma potência de 500 kW, já que
a potência requerida para o bombeamento neste trecho foi em torno de 491 kW. Já
no segundo trecho, é preciso que seja instalado um oscilador que alcance uma
potência em torno de 900 kW, visto que a potência requerida no trecho foi de 863 kW.
Como partiu-se da premissa de desenvolver osciladores que atingissem 500, 750 e
1000 kW, neste segundo trecho, o oscilador escolhido seria o que fornecesse 1000
81
kW. Em suma, seria utilizado um oscilador de 500 kW na primeira estação de bombeio
e um oscilador de 1000 kW na segunda estação de bombeio.
Figura 54 – Parâmetros Iniciais do Cenário 4: Primeiro Trecho do Primeiro Caso
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Figura 55 – Cálculos Finais do Cenário 4: Primeiro Trecho do Primeiro Caso
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
82
Figura 56 – Parâmetros Iniciais do Cenário 4: Segundo Trecho do Primeiro Caso
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Figura 57 – Cálculos Finais do Cenário 4: Segundo Trecho do Primeiro Caso
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Por outro lado, o segundo caso deste cenário trata da implementação de mais
estações de bombeio, visando diminuir o diâmetro do duto a ser escolhido para 20
polegadas no primeiro trecho. Neste caso, o primeiro trecho de 1000 metros será
dividido em 10 estações de bombeio a cada 100 metros. Neste trecho, a altimetria
varia de uma profundidade de 17 metros até 5 metros. Para não lotar o estudo com
os resultados das 10 estações de bombeio, será considerado que a variação máxima
de profundidade de uma estação para a outra será de 2 metros, de forma que a
83
potência requerida a todos os osciladores será aproximadamente a mesma. Vale
novamente reiterar que medições reais da altimetria na região do Pecém serão
necessárias para a implementação do projeto. As figuras 58 e 59, relativas ao
resultado da primeira estação de bombeio, mostrarão as potências requisitadas aos
osciladores neste trecho:
Figura 58 – Parâmetros Iniciais do Cenário 4: Segundo Caso
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Figura 59 – Cálculos Finais do Cenário 4: Segundo Caso
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
84
Nota-se que a potência requerida de 631 kW pode ser facilmente atingida com
a implementação de osciladores de 750 kW e ainda se garante uma folga para o caso
de a variação de altimetria ser maior que 2 metros, o que é improvável. O segundo
trecho seria bombeado tal como no primeiro caso deste cenário, ou seja, por um
oscilador de 1000 kW. Portanto, neste segundo caso, tem-se o primeiro trecho sendo
bombeado em dez estações com osciladores de 750 kW e um duto de 20 polegadas,
e o segundo trecho sendo bombeado por um oscilador de 1000 kW e um duto de 40
polegadas, atendendo a premissa de não se dividir a vazão.
As configurações dos dutos deste quarto cenário, para o primeiro e segundo
caso, respectivamente, estão esboçados nas figuras 60 e 61.
Figura 60 – Configuração dos Dutos do Cenário 4: Primeiro Caso
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
85
Figura 61 – Configuração dos Dutos do Cenário 4: Segundo Caso
Fonte: Elaborada pelo Autor (2016)
Outros muitos cenários poderiam ser apresentados, pois a ferramenta
apresenta justamente essa facilidade de combinar diferentes materiais, diâmetros de
dutos e quantidade de dutos. A escolha final, vale lembrar uma vez mais, será atrelada
aos aspectos econômicos e geológicos da região. Assim como o local escolhida para
a aplicação deste estudo foi o Pecém, poderia ter sido qualquer outro que fornecesse
um potencial energético e regularidade de ondas, e que houvesse demanda de água
potável. Logo, para cada local onde o estudo for ser aplicado, os aspectos geológicos
e econômicos precisam ser analisados e diversas soluções projetadas na ferramenta,
de forma que a melhor delas seja a escolhida para a implementação real.
86
6. Conclusão
Os resultados desse estudo se mostraram demasiadamente satisfatórios, uma
vez que, ao início do projeto, não se sabia se seria possível conseguir implantar a
ideia inovadora de realizar o bombeamento sem a utilização de bombas hidráulicas,
através do conceito das estações de bombeio. Contudo, não somente foi possível
realizar o bombeamento desta forma, como também foi possível simular cenários
onde o bombeamento é realizado por apenas um oscilador e ainda assim a solução
técnica se mostrou uma possibilidade. Além disso, o último cenário permitiu a
concepção de uma configuração de dutos desejada e abriu a porta para trabalhos
futuros, que visarão desenvolver uma concepção de osciladores maiores, visando
atender requisitos específicos de um determinado sítio que exija que alguns
parâmetros tais como, o número de dutos ou o diâmetro dos dutos, seja definido
previamente.
Por outro lado, apesar de o projeto possuir um caráter e o objetivo de ser
intercambiável e aplicável a diversos sítios com potencial energético das ondas a ser
aproveitado, este estudo não se privou de mostrar um exemplo de como pode ser
aplicado na prática. Isso ocorreu ao realizar a definição da Siderúrgica do Pecém
como estudo de caso. A motivação pela escolha do sítio é relacionada ao problema
que o Ceará vem vivendo nos últimos cinco anos com a situação da seca e redução
drástica das fontes de água doce advindas dos açudes. Por isso, esse projeto toma a
iniciativa de propor uma solução para tal problema, não só resolvendo o problema da
siderúrgica, o que acarreta em liberação dos açudes para atender à população, como
também recomendando a expansão do projeto para pequenas populações com
dificuldade de distribuição de água.
Outrossim, uma ferramenta programada no Microsoft Excel foi desenvolvida
para simular os diversos cenários possíveis para a configuração das tubulações e
realização do bombeamento, tendo como resultado final sempre a potência que seria
requerida para que tal bombeamento fosse realizado. Dessa forma, espera-se que,
unindo este trabalho aos muitos outros em desenvolvimento, mais um passo para o
aproveitamento energético dos oceanos na costa brasileira tenha sido dado.
87
Finalmente, este estudo envolve diversas áreas da engenharia e até mesmo
fora dela, por isso, alguns temas aplicáveis acabaram por ficar de fora. Abaixo seguem
sugestões para trabalhos futuros que podem agregar bastante ao serem anexados a
este:
Primeiro, um projeto relativo ao dimensionamento da planta de dessalinização
térmica a ser combinado com o bombeamento proposto por esse estudo. Outro projeto
interessante seria relativo ao dimensionamento de uma planta de osmose reversa a
ser combinada com o bombeamento proposto por esse estudo e posterior
comparação com resultados obtidos para a planta de dessalinização térmica.
Por outro lado, um estudo que agregue a análise econômica de qual
configuração de dutos para o escoamento e bombeamento da água do mar seria o
mais viável ajudaria a tomar a decisão final de qual configuração será aplicada. Além
disso, o desenvolvimento de uma interface de programação para o programa
desenvolvido no Microsoft Excel, visando facilitar a utilização pelos usuários também
se mostra interessante.
Por fim, um estudo que realize a análise sobre o potencial de incrustação que
a água do mar pode realizar nas tubulações e nas plantas de dessalinização,
primordialmente nas membranas de osmose reversa, caso a escolha da planta de
dessalinização seja a referida.
88
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92
Anexo
Neste anexo será mostrado a formulação utilizada para a obtenção dos
resultados. Além do mais, a memória de cálculo está presente no documento do excel,
com todas as fórmulas utilizadas. Os parâmetros serão listados abaixo:
• Eficiência da planta de dessalinização: η1
• Eficiência do oscilador: η2
• Diâmetro interno do duto: D
• Profundidade do mar na região do quebra mar: z1
• Altura do porto de pecém: z2
• Comprimento total da tubulação: L
• Massa específica da H20 do mar: ρ
• Peso específico da H20 do mar: γ
• Viscosidade dinâmica da H20 do mar: µ
• Demanda de água potável da siderúrgica: Q final
• Aceleração da gravidade: g
93
• Peso específico da H20 do mar: γ
• Rugosidade: ε
• Potência do oscilador: Pot
• Vazão: Q
• Área do duto: A
• Velocidade de escoamento: v
• Número de Reynolds: Re
• Somatório do comprimento equivalente das singularidades: Leq
• Comprimento equivalente final: Ltotal
• Rugosidade relativa: ε/D
• Fator de atrito: f
• Perda de carga: hf
• Altura Manométrica: Hm
• Potência requerida: Pot req
94
A seguir serão explicitadas as equações que foram utilizadas neste projeto:
• V2 = V1/η1
• A = π D2 / 4
• v = V2 / A
• Re = ρ v D / µ
• L total = L + Leq
• hf = f Ltotal v2 / 2 g D (Método do comprimento equivalente)
• z1 + p1 / γ + v12 / 2g = z2 + p2 / γ + v2
2 / 2g + hf (Teorema de Bernoulli)
• Hm = z2 – z1 + hf
• Pot req = 0,736 γ Q Hm / 75 η2
• N = Pot req / Pot
Para calcular a altura manométrica, considerou-se que a velocidade de
escoamento será constante na tubulação e que a pressão de entrada e de saída
serão as mesmas, que é a pressão atmosférica nos reservatórios.
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