Energia Térmica dos Oceanos
O texto a seguir é baseado no trabalho apresentado pelo aluno Anderson Souza - Bolsista B.I.A., no semestre 2017.2
Na atualidade, a busca por novas fontes de energias renováveis tem sido o motivo de pesquisas e investimentos, e diante disso a exploração da energia dos oceanos é cotada como uma interessante alternativa. Com isso podemos citar um processo que é baseado na extração da energia térmica solar acumulada na superfície dos oceanos, visto que na superfície do oceano, de modo geral, nos três primeiros metros de coluna d’água acumula-se mais energia térmica solar do que toda a atmosfera, e a energia extraída pode ser transformada em eletricidade e em vários outros subprodutos por meio de um processo chamado de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos (OTEC), que utiliza a água fria obtida a partir de uma profundidade de 1.000 m. As usinas OTEC podem operar em sistemas térmicos aberto, fechado ou híbrido, sendo que, para operar de maneira eficaz, o local de instalação da usina deve ter águas com temperatura média da superfície superior a 24 °C. Baseado nessa condição o Brasil possui várias regiões que atendem esta condição tornando-se um dos países com boa capacidade de instalação de usina OTEC para auxiliar a suprir a demanda energética.
HISTÓRICO: Takahashi e Trenka (1992) e Buño (2013) certificam que a concepção do processo de conversão da energia térmica dos oceanos em eletricidade foi proposta pela primeira vez pelo engenheiro francês J. A. d’Ansoval, em 1881. No ano de 1930, G. Claude, um aluno de d’Ansonval, testou um protótipo de usina OTEC na Baía de Matanza, no nordeste de Cuba. Porém, o modelo gerou 22 kW, mas consumia mais energia do que gerava, devido alguns problemas no projeto.
Com o passar dos anos, Claude desenvolveu um segundo projeto, que consistia de uma usina flutuante a bordo de um navio cargueiro em alto mar na costa brasileira, mas as ondas quebraram o tubo da água gelada quando estava sendo instalado. Posteriormente, em 1956, uma usina OTEC capaz de produzir 3 MW foi projetada por engenheiros franceses para ser construída na costa leste da África, mas este projeto foi abandonado. Na década de 1960, J. H. Anderson e seu filho iniciaram alguns estudos sobre OTEC e, 10 anos depois, W. E. Heronemus e C. Zener, da Universidade de Massachusetts e da Universidade de Carnegie-Mellon, respectivamente, formaram uma equipe, sendo que, somente em 1972, a Fundação Nacional de Ciência dos EUA concedeu auxílio técnico e financeiro para o desenvolvimento de um projeto na Universidade de Massachusetts.
A verdade é que o primeiro trabalha de pesquisa acerca da OTEC foi pouco divulgado, mas, em 1973, com a crise do petróleo, a tecnologia OTEC avançou por causa das demandas urgentes para se encontrar fontes alternativas de energia, levando os engenheiros a reavaliarem o potencial de produção de energia por meio dessas usinas.
Uma das principais vantagens desse tipo de usina é que sua fonte de energia é vasta, naturalmente renovável e não poluente. E diversos subprodutos podem ser obtidos, dependendo da configuração da planta, tais como: consideráveis quantidades de água fresca para consumo e irrigação; alimentos básicos de origem marinha para indústrias alimentícias, por meio de tanques de marinocultura; sal e água gelada para sistemas de refrigeração dos próprios escritórios e salas da usina; dentre outros (CREWS, 1997).
O princípio de funcionamento de uma planta OTEC é a diferença de temperatura entre a água da superfície do oceano e a água localizada em um ponto a 1.000 m de profundidade. Em áreas tropicais, este gradiente de temperatura é em torno de 20 ºC. Essa diferença ocorre porque a água do mar se torna fria conforme a profundidade aumenta.
O sistema termodinâmico é baseado em três sistemas que são chamados de ciclos: aberto, fechado e híbrido. No ciclo aberto da usina OTEC, a água quente obtida na superfície do oceano é o fluido de trabalho. A água é bombeada para uma câmara de vácuo (flash), que devido a baixa pressão permite que a água líquida vaporize por superaquecido na temperatura ambiente. O vapor d’água aciona uma turbina de baixa pressão acoplada a um gerador elétrico. Após deixar a turbina, o vapor passa pelo condensador, no qual é resfriado pela água gelada obtida na profundidade. Esse processo pode produzir como subprodutos água 29 dessalinizada, minerais e alimentos de base marinha.
O ciclo fechado produz eletricidade por meio do ciclo de Rankine, que é um ciclo termodinâmico reversível que converte calor em trabalho. O fluido de trabalho é um fluido com baixa temperatura de ebulição, sendo que os mais utilizados são a amônia e o freon, mas também deve-se estudar a possibilidade de utilizar propileno. O ciclo de Rankine de uma OTEC consiste em dois trocadores de calor, uma turbina a vapor e uma bomba. A água quente obtida na superfície é bombeada para o trocador de calor e, então, o fluido de trabalho aumenta sua temperatura até mudar de estado para o de vapor superaquecido. O vapor produzido aciona uma turbina de baixa pressão e, logo após sair da turbina, vai para o condensador, onde troca calor com a água fria da profundidade tornando-se líquido, sendo depois bombeado novamente para o evaporador. Para aumentar a geração de energia elétrica num ciclo fechado pode ser adicionado outro estágio, em que cada estágio é um ciclo fechado.
O ciclo híbrido é baseado na junção dos ciclos aberto e fechado. Esta configuração pode melhorar a eficiência da usina OTEC e maximizar a produção de subprodutos. Esse ciclo mistura o vapor do fluido de trabalho e o vapor d’água na turbina e, então, separa-os novamente. O fluido de trabalho retorna ao ciclo fechado e o vapor d’água é condensado.
O texto desta página a seguir é baseado no trabalho apresentado pelo aluno Francisco Bruno na disciplina Sistemas Mecânicos Para Energias das Marés, no semestre 2014.2
Pode ser definida como um tipo de energia que se baseia no gradiente de temperatura das diferentes profundidades das águas dos oceanos. Para se tornar viável, a diferença de temperatura entre a superfície e abaixo da superfície do mar deve ser de pelo menos de 20ºC e a profundidade da água fria não deve ser superior a 100m abaixo da superfície. A energia térmica é um recurso de energia renovável muito promissor para as comunidades das ilhas tropicais que dependem fortemente do combustível importado.
Os dispositivos que aproveitam a Energia Térmica dos Oceanos são comumente denominados de OTEC ( Ocean Thermal Energy COnverter). Estes dispositivos usam uma tecnologia que converte a radiação solar, que aquece a água do mar, em energia elétrica com potencial estimado de exploração do gradiente térmico entre a superfície e o fundo: 40 bilhões de Mw (Almeida, 2007). O principal produto de um OTEC é a eletricidade. Mas, água doce e sal são subprodutos das usinas de OTEC. A água fria pode ser usada em unidades de refrigeração para condicionamento de ar ou armazenagem de produtos refrigerados.
Figura 1 - Copiada de [http://www.cimm.com.br/portal/noticia/exibir_noticia/2185-as-fontes-de-energia-do-oceano]
Os oceanos cobrem um pouco mais que 70% da superfície da terra. Isso os tornam o maior coletor de energia solar devido ao alto calor específico da água que faz com que os oceanos sejam um grande reservatório de energia. Os 60 milhões de Km2 dos mares tropicais absorvem uma quantidade de radiação que equivale a 250 bilhões de barris de petróleo em media por dia.
Figura 2 - Copiada de [http://gestaoambientalfcago.blogspot.com.br/2009/11/brasil-energia-dos-gradientes-de.html]
Em relação a ordem cronológica dos fatos relevantes sobre Energia Térmica dos Oceanos, tem-se:
1881 - Jacques Arsene d'Arsonval, foi o primeiro a propor a exploração da energia térmica do oceano.
1930 - Georges Claude, um estudante de d'Arsonval, construiu um sistema de ciclo aberto OTEC experimental na Baía de Matanzas (22KW).
1935 - Claude construiu outra, desta vez a bordo de um navio de carga de 10.000 ton ao largo da Costa do Brasil.
1956 - investigadores franceses projetaram uma OTEC (30 MW) para Abidjan na Costa Oeste da África.
1974 - o Natural Energy Laboratory do Havaí (NELHA, anteriormente NELH), tornou-se o maior laboratório do mundo de teste para as tecnologias OTEC, onde em 1979 foi produzido os primeiros 50 kW, conhecido como "Mini-OTEC" (Ver Figura 3).
1980 - o departamento norte-americano de energia (DOE) construiu a OTEC-1.
1981 - Japão montou uma base central de ciclo fechado de 100-kWe, utilizando um permutador feito de titânio.
1984 - cientistas no laboratório nacional DOE, o Instituto de pesquisas de energia solar (SERI), desenvolveu um evaporador para converter a água do mar quente em baixa pressão de vapor tendo uma eficiência 97%.
Figura 3 - Copiada de [http://www.oceansatlas.org/unatlas/uses/EnergyResources/Background/OTEC/OTEC2.html]
Principais Tecnologias dos OTEC
Ciclo AbertoTambém conhecido como ciclo de Claude.
A água do mar é o fluido de trabalho.
A água do mar quente na superfície ferve dentro de uma câmara de vácuo que é mantido a uma baixa pressão de cerca de 0,34 psi cerca de 1/40 da pressão atmosférica.
A baixa temperatura, o vapor é então dirigido através de um gerador de turbina.
Em seguida, o vapor é arrefecido e condensado de volta para o estado líquido por um fluxo de água do mar fria das profundidades.
Figura 4 - Copiada de [http://slideplayer.com.br/slide/1267634/]
Ciclo Fechado
Foi proposto pela primeira vez em 1881 pelo físico francês Jacques D'Arsonval.
O Fluido de trabalho utilizado é a amônia (NH3).
O fluido de trabalho permanece num sistema fechado e é continuamente circulado.
A amônia é vaporizada em um trocador de calor pela águas quentes da superfície.
O vapor de amônia é condensado na água fria através de outro permutador de calor e reciclado.
Figura 5 - Copiada de [http://www.wikienergia.pt/~edp/index.php?title=OTEC]
Ciclo Híbrido
O sistema híbrido combina as características dos dois sistemas para otimizar o processo.
água do mar quente entra numa câmara de vácuo, na qual sofre evaporação rápida.
O vapor resultante é usado para vaporizar o fluido de trabalho (amônia).
Depois disso, o fluido de trabalho vaporizado aciona uma turbina que produz eletricidade. No final, o vapor se condensa dentro do permutador de calor e fornece água dessalinizada.
Figura 6 - Copiada de [http://www.oceansatlas.org/unatlas/uses/EnergyResources/Background/OTEC/OTEC2.html]