Estudo Numérico de Conversão da Energia Cinética das Correntes Marinhas em Energia Elétrica na Plataforma Continental Sul-Sudeste Brasileira

Abstract

Energias renováveis de fontes marinhas já apresentam potencial possível de exploração, tornando determinante o inicio de estudos e investigações sobre taxas de conversão de energia, bem como dos impactos hidrodinâmicos e morfodinâmicos em longo prazo. Ondas e correntes oceânicas estão sendo pesquisadas ao redor do mundo como possíveis fontes de energia. Descobertas recentes relatam que em lugares energeticamente viáveis, os estudos estão focados em impactos locais, desconsiderando as variações de longo prazo. Este estudo demonstra a importância de se avaliar recursos energéticos através de simulações de longo período, para aumentar o conhecimento sobre os processos de varia-bilidade espacial e temporal que controlam o padrão dinâmico de locais viáveis para a implantação de energias renováveis oceânicas. O principal objetivo deste trabalho é encontrar locais próximos a região costeira da Plataforma Continental Sul-Sudeste Brasileira, que sejam viáveis para a exploração da energia das correntes e ondas, além de avaliar os impactos hidrodinâmicos e morfodinâmicos de longo período. Os modelos hidrodinâmico TELEMAC-3D e espectral de ondas TOMAWAC foram utilizados para o período de 10 anos, entre os anos de 2003 e 2012, para a acessar a viabilidade de ondas e correntes. O modelo morfodinâmico SISYPHE acoplado ao modelo TELEMAC-3D também foi utilizado para o mesmo período em abordagem de cenários, com e sem a presença dos sítios de tur-binas para realizar as comparações dos impactos ambientais. Fontes de alta intensidade das correntes e altura de ondas foram encontradas em cinco localidades na costa da Plataforma Continental Sul do Brasil e Plataforma Continental Sudeste do Brasil, onde foram subsequentemente analisados para a frequência de ocorrência, análise de variabilidade em relação a meses e estações do ano, assim como, variabilidade espacial e temporal. Os resultados apontaram que a energia renovável provinda das cor-rentes oceânicas possui maior estabilidade para a conversão na Plataforma Continental Sul do Brasil, enquanto que para as ondas, as melhores condições encontradas foram na Plataforma Continental Su-deste do Brasil. As estações mais fracas para a conversão energética foram o outono e o verão, para correntes e ondas respectivamente, com variação entre as estações dominantes. A variabilidade das ondas demonstrou grande correlação com a dinâmica atmosférica em relação a passagem de sistemas frontais, em oposição às correntes que foram principalmente forçadas pelo fluxo local dirigido por vento. Através destes resultados, regiões viáveis para as correntes na região costeira da Plataforma Continental Sul-Sudeste Brasileira foram reduzidas e limitadas através da definição de cinco critérios como batimetria, proximidade com a costa, frequência de altas intensidades de velocidade, variabi-lidade sazonal e mensal. Sítios de turbinas foram adicionados ao módulo de conversão de energias acoplado ao modelo hidrodinâmico para que as mudanças impactantes do fluxo, devido a conversão, fossem desenvolvidas corretamente. Os resultados demonstraram que nos três locais selecionados, as turbinas não apresentam taxas de conversão semelhantes, ao contrário, àquelas localizadas nas bordas dos sítios apresentaram melhores taxas de conversão. Em relação aos impactos, a corrente superficial decresceu dentro dos sítios provocando ajustes na coluna de água, quebrando o padrão vertical natural da corrente, e desenvolvendo fluxos laterais que, com o tempo, afetam a dinâmica de fundo, causando mudanças nos depósitos sedimentares, além de impactar as taxas de transporte de sedimentos pelo fundo. As turbinas propostas neste trabalho converteram um total de 1840 GWh ao longo dos 10 anos de estudo, considerando neste valor, as perdas mecânicas e o cabeamento, além de outras fontes de perda. Este valor é equivalente a energia consumida por 56.166 residências durante 10 anos.

As marine renewable resources starts to represent a feasible exploration potential, thus the investi-gation of long-term impacts regarding hydrodynamic and morphodynamic processes becomes crucial. Waves and ocean currents have been widely researched worldwide as possible renewable sources. Recent findings relate viable energy spots with high power output focusing in local dynamic impacts disregarding long-term viability. This study underlines the importance of resource assessment perfor-med throughout long-term simulations, attempting to improve the understanding of spatial-temporal variability controlling the dynamic patterns of feasible spots for oceanic renewable energy. The main objective of this work is to find viable near shore energetic spots for currents and waves, and also evaluate the long-term hydrodynamic and morphodynamic impacts. The hydrodynamic and the spec-tral wave models TELEMAC-3D and TOMAWAC were used over 10 years period, from 2003 to 2012, for the hydrodynamic and waves assessment. The morphodynamic model SISYPHE coupled with TELEMAC-3D were also used along the same period in scenario approach, with and without the turbines sites, for impact comparisons. Sources of high current intensity and wave height were found in five spots around the Southern Brazilian Shelf and Southeast Brazil Bight, where they were further analysed for frequency of high occurrence, variability analysis during months and seasons, as well as, spatial and temporal variability. The results points out that renewable energy from ocean currents have more stability for conversion in the Southern Brazilian Shelf, while waves present better conditions in the Southeast Brazil Bight. The weaker seasons for energy conversion were Autumn and Summer, for currents and waves respectively, with the stronger seasons varying. Waves variability demonstrate highly correlation with atmospheric dynamics regarding the passage of frontal systems, in opposition of currents that are mainly forced by local wind-driven setup. Following these results, the viable spots in the South-Southeastern Brazilian Inner Shelf were narrow down through the definition of five crite-ria such as bathymetry, coastal proximity, frequency of high intensity velocity, seasonal and monthly variability. Turbines sites were added to a conversion energy module coupled into the hydrodynamic model in order to develop properly the flow changes towards the energy conversion process. Results revealed that in the three chosen spots, turbines were not equally converting the currents energy, in fact, the ones located on the outer side of the farm developed greater conversion rates. Regarding impacts, decrease of the surface current occurs generating strong adjustments in the water column, breaking the natural pattern of vertical circulation and developing lateral flows, that in time affect the bottom dynamics leading to changes in sediment deposition, besides bedload transport rates swift as well. Concerning energy output, the idealized turbines sites produced 1840 GWh over 10 years providing electricity to 56,166 residences, accounting for mechanical, cabling and other sources of losses.