Energia
Energia Renovável Marítima: Desbloqueando o Poder dos Oceanos para um Futuro Limpo
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O Potencial Inexplorado da Energia Oceânica
As the Earth is 70% ocean and sea by surface, it is no surprise that a lot of the Earth’s resources are found offshore. However, this is an inherently more difficult environment for a land-based creature like humans. As a result, ocean energy has so far been poorly harvested, mostly limited to offshore oil & gas exploitation and offshore wind farms.
Mas há muito mais potencial para geração de energia no mar em outras formas. Desde as áreas de superfície quase ilimitadas até marés, ondas e a diferença de altura e temperatura, cientistas de todo o mundo estão trabalhando para encontrar novas maneiras de aproveitar a energia renovável das ondas intermináveis.
E isso poderia ser uma fonte massiva de nova energia renovável, com 2050 potencialmente alcançando 352 GW de capacidade instalada, ou próximo ao atual parque nuclear global inteiro (399 GW).
Fonte: IRENA
Por que o Desenvolvimento da Energia Oceânica tem sido Lento
Pode surpreender que a produção de energia no oceano tenha começado apenas algumas décadas atrás, enquanto outras formas de energia, desde hidrelétricas até a produção terrestre de combustíveis fósseis, têm séculos de existência.
Uma razão fundamental é que, obviamente, é mais fácil construir em terra. Mares e oceanos, por outro lado, exigem que qualquer infraestrutura seja flutuante e/ou ancorada ao fundo do leito marinho, aumentando custos e restrições de engenharia. Tempestades regulares, ou até furacões em áreas tropicais, aumentam a dificuldade de criar estruturas que possam sobreviver aos oceanos.
Outro fator crucial é o sal marinho. A salinidade do oceano torna a água do mar extremamente corrosiva para componentes metálicos, incluindo sistemas de geração de energia como turbinas. Isso requer a aplicação de um conjunto complexo de soluções personalizadas de revestimentos, óleos e outras medidas protetoras para evitar que a infraestrutura energética seja corroída. O crescimento de organismos marinhos nocivos, como algas e conchas (“bioincrustação”), também pode contribuir para danos no mar, com o material orgânico obstruindo e cobrindo as máquinas.
Fonte: ResearchGate
Por fim, embora vasto, o energia latente dos oceanos também é muito difusa. Em terra, a geologia e a geografia tendem a concentrar naturalmente os recursos em depósitos minerais, rios e corredores de vento, algo que a superfície plana do oceano não oferece.
Energia Eólica Offshore: Escalando no Mar
Como ocorre com praticamente todas as plataformas de energia marítima, a energia eólica offshore tende a ser mais intensiva em capital. A distância das áreas habitadas e a corrosão da água salgada também aumentam os custos de manutenção e podem reduzir a vida útil da turbina eólica e de seus componentes.
No entanto, há várias vantagens na energia eólica offshore:
- Produção mais eficiente: os ventos offshore são mais estáveis, mais fortes e sopram com mais frequência do que em terra.
- Isso leva não apenas a uma maior produção, mas também a uma produção mais previsível, mais próxima da geração de energia de base do que a geração eólica onshore, que é mais intermitente.
- Em muitas regiões, a energia eólica offshore aumenta à tarde e à noite, quando a demanda está no máximo.
- Com a maior parte da população global vivendo perto da costa, os locais offshore costumam estar bastante próximos dos consumidores.
- Um bom local de vento no mar pode ser muito maior do que em terra. Isso permite maior escala.
- Menor impacto ambiental. Ao reduzir o uso de terra e não perturbar o ecossistema local com estradas de acesso e tráfego em áreas remotas, a energia eólica offshore pode ser mais ecológica que a energia eólica onshore.
- A área restrita dos parques eólicos pode até ajudar os ecossistemas marinhos.
- Menos oposição: a distância dos centros populacionais e a limitação visual reduzem consideravelmente a oposição a projetos eólicos quando são offshore. As reações NIMBY (Não no Meu Quintal) são muito menos impactantes.
Dependendo da profundidade, diferentes âncoras podem ser usadas para turbinas eólicas offshore.
Fonte: DoE
À medida que a tecnologia eólica avança, uma nova opção é não construir um pilar gigante para uma turbina gigante, mas sim uma “parede de turbinas” ainda maior. Algumas unidades estão em desenvolvimento para modelos de 40 MW e podem chegar a até 126 MW.
Tal sistema seria mais adequado para áreas com ventos muito fortes e quase constantes, como o Mar do Norte.
Fonte: Recharge News
A concentração de projetos eólicos offshore em megaprojetos, como a Ilha de Energia do Mar do Norte de 10 GW considerada pelo gigante da indústria Orsted (D2G.DE ), provavelmente será uma tendência dominante no futuro, pois reduz os custos de manutenção e instalação ao compartilhá-los entre mais turbinas eólicas.
A energia eólica offshore provavelmente permanecerá como a principal fonte de energia marítima não fóssil na próxima década, graças à abundante energia eólica no mar e à tecnologia já bastante madura.
Alguns analistas estimam que a energia eólica offshore pode ser 12 vezes maior até 2040, com a década de 2030 vendo a instalação de muitos novos tipos de turbinas eólicas flutuantes.
Fonte: Rystad Energy
(Você pode ler mais sobre o potencial da energia eólica em nosso relatório dedicado “Pode a Energia Eólica Alimentar o Mundo?”)
Energia das Marés: Energia Renovável Previsível da Lua
Apesar de o vento ser a forma dominante de energia marítima, a energia das marés é, na verdade, a mais antiga. Trata-se da captura da energia gerada pela gravidade da Lua, que cria a subida e descida do nível do mar com a maré.
Inicialmente, isso foi aproveitado com um moinho d’água usando o movimento do mar, em vez de um rio, para girar a roda do moinho. A primeira estação de energia das marés em grande escala foi construída em 1966, com a Estação de Energia das Marés de Rance, na Bretanha, no Noroeste da França.
Fonte: Dialogue Earth
Uma vantagem chave da energia das marés é que ela é extremamente estável e previsível, permitindo uma energia renovável de base muito confiável. Ela também produz energia à noite e no inverno sem qualquer queda, tornando-a um bom complemento à energia solar.
No entanto, essa é uma forma difícil de captar energia. Normalmente requer estar localizado em uma região de maré alta ou com uma corrente forte canalizando a maré para um estreito estreito. Isso historicamente limitou os locais potenciais para essa forma de energia. Também significa que, na maioria dos casos, requer a construção de uma barragem de maré.
A raridade dos projetos de maré tem dificultado o setor, pois elimina a possível economia de escala da produção em massa, substituindo-a por soluções personalizadas que exigem design caro.
Estamos no ponto em que estamos demonstrando a tecnologia de forma confiável e a escalando para escala comercial de utilidade. O que precisamos fazer é observar projetos relativamente pequenos, apenas para demonstrar que a tecnologia é confiável, superar obstáculos ambientais e também gerar impulso e a escala que precisamos.
Seumas Mackenzie – Diretor de Operações da desenvolvedora de marés Nova Innovation
Até hoje, há muitos projetos considerados, mas nenhum que seja produzido em massa.
Fonte: IRENA
A exigência de que as turbinas estejam constantemente em movimento na água do mar também aumenta as dificuldades de corrosão e bioincrustação.
No geral, é improvável que a energia das marés se torne em breve um grande contribuinte para nossa rede elétrica.
No entanto, pode ser uma solução muito boa para ilhas isoladas e regiões costeiras, como demonstrado por projetos piloto nas Ilhas Shetland e Orkney. Essas ilhas precisam de conexão de rede cara ou importam combustíveis fósseis.
Aproveitando Correntes Oceânicas para Energia Renovável
Explorar correntes oceânicas profundas, que movem uma enorme quantidade de água de forma constante, poderia fornecer uma fonte de energia muito poderosa, até maior que a energia das marés, sendo atualmente uma possibilidade teórica.
Fonte: Energy Encyclopedia
No entanto, a profundidade extrema e a distância da costa para instalar tais instalações, bem como o risco potencial de perturbar essas correntes, que são muito importantes para a regulação climática, não tornam isso uma possibilidade realista no futuro próximo.
Energia das Ondas: Transformando Ondulações Oceânicas em Eletricidade
Ainda mais onipresentes que as marés, as ondas são parte natural do oceano e uma fonte teoricamente ilimitada de energia, representando quase metade do potencial energético do oceano (excluindo o vento).
Fonte: IRENA
Aqui também, muitos projetos ainda estão sendo considerados, sem que nenhum tenha demonstrado clara superioridade sobre os outros ou sido produzido em massa. No geral, a ideia é captar energia através da subida e descida do nível da água, da oscilação da boia ou da rotação de uma boia.
Fonte: IRENA
Embora ainda mais baixa em prontidão tecnológica que a energia das marés, a energia das ondas pode ser um grande contribuinte de energia até 2040, com a União Europeia projetando 1 gigawatt de produção oceânica até 2030 e 40 gigawatts até 2040.
“Dispositivos de energia das ondas precisam ser projetados para resistir e sobreviver a condições de tempestade, e isso pode ser uma grande preocupação em um mundo aquecido onde as tempestades se tornam cada vez mais extremas.
Há muita energia das ondas disponível, mas certamente é mais cara e tecnicamente difícil de explorar.
Conchúr Ó Brádaigh – Vice-presidente da Faculdade de Engenharia da Universidade de Sheffield
Fonte: ResearchGate
Energia Térmica Oceânica: Aproveitando o Calor Submarino
(OTEC) aproveita a diferença de temperatura entre a água quente da superfície e a água muito mais fria em profundidade. Um gradiente térmico como este é teoricamente muito poderoso para geração de energia.
Fonte: Britannica
Para ser economicamente viável, a diferença de temperatura deve ser de pelo menos 20 °C (36 °F) nos primeiros 1.000 metros (cerca de 3.300 pés) abaixo da superfície.
Como quanto maior o gradiente, maior o potencial de geração de energia e menores os custos, esta provavelmente é uma solução melhor para águas tropicais quentes combinadas com fundos marinhos que descem rapidamente, notavelmente no Sudeste da Ásia e nas costas do México e do Brasil.
Fonte: Ocean Energy Systems
As instalações OTEC podem ser onshore (com tubos que vão para o oceano) ou flutuantes. Embora superfícies flutuantes tenham muito mais locais potenciais, elas serão mais caras de construir e manter. A produção de energia offshore precisaria ser enviada de volta à terra, seja por cabos de energia ou por produção in situ de hidrogênio, metanol ou amônia que seja transportada de volta aos centros populacionais.
Um efeito colateral potencialmente positivo do OTEC pode ser trazer à superfície águas profundas ricas em nutrientes. Isso poderia ser utilizado para aquicultura marinha ambientalmente amigável e até ajudar a capturar carbono através do crescimento de fitoplâncton.
Fazendas Solares Flutuantes: Maximizando a Superfície Marinha para Energia Limpa
Além de usar a energia dos próprios oceanos, os mares nos fornecem outro recurso abundante: área de superfície.
Ao contrário da terra, que costuma ser usada para fazendas ou habitats naturais e é relativamente cara por metro quadrado, a maior parte da superfície do mar é relativamente improdutiva, especialmente em áreas tropicais com alta radiação solar.
Também não há vizinhos ou pessoas ofendidas pelo aspecto estético desses campos solares offshore. Isso torna a possibilidade de campos solares flutuantes offshore atraente.
Fonte: RWE
Além disso, a reflexão da luz solar pela superfície do mar aumenta o isolamento total. Esse fenômeno poderia até ser aproveitado para gerar mais energia graças aos painéis solares bifaciais.
A água relativamente fria também ajuda a manter os painéis frescos, o que melhora sua durabilidade e rendimento máximo.
Vários outros países, da África, Caribe, América do Sul e Ásia Central, poderiam atender entre 40% e 70% de sua demanda anual de eletricidade ao implantar FPVs. Mesmo países desenvolvidos como Finlândia e Dinamarca poderiam obter 17% e 7% de sua demanda anual, respectivamente, dessas fontes.
No entanto, há alguns riscos associados a esse design de fazenda solar.
O primeiro desafio é a presença de sal. Não só pode causar os habituais riscos de corrosão em sistemas elétricos sensíveis e estruturas de suporte, mas depósitos de cristais de sal provenientes da névoa marinha podem se acumular nos painéis, reduzindo sua eficiência de conversão fotoelétrica. Uma solução potencial pode ser posicionar a plataforma de painéis solares mais alta acima do nível do mar, como no projeto piloto Yellow Sea No. 1 do desenvolvedor chinês Huaneng Group.
Fonte: Daily Galaxy
Outro problema potencial são tempestades e furacões, que podem destruir instalações solares flutuantes muito antes de elas conseguirem “recuperar” a energia necessária para construí-las.
Portanto, no geral, em vez de a estrutura flutuar diretamente na água como em um lago de água doce, as plantas solares marítimas provavelmente serão montadas em plataformas flutuantes semelhantes a mini-plaquetas de petróleo.
Energia Geotérmica em Águas Profundas: Uma Fronteira do Futuro
Apenas em estágio teórico, esta é uma forma de energia que, a muito longo prazo, poderia ser importante para muitos países, especialmente aqueles localizados ao longo do chamado “Cinturão de Fogo” ao redor do Oceano Pacífico.
Fonte: HowStuffWorks
Como a crosta oceânica é muito mais fina que a continental (4 milhas de espessura em vez de 10‑43 milhas), temperaturas muito altas podem ser alcançadas com perfurações menos profundas.
Fonte: GeologyIn
Para aproveitar essa energia potencial será necessário avançar ainda mais na energia geotérmica, um tópico que discutimos em detalhes em “Energia Geotérmica: Energia Verde que está em Alta”.
É provável que a forma final dessa fonte de energia seja a combinação de perfuração ultra‑profunda no mar (atualmente usada para produção de petróleo) e geração de energia geotérmica em circuito aberto ou fechado.
Fonte: BGS
Urânio da Água do Mar: Uma Nova Fonte de Combustível Nuclear
Além do vento, sol, marés e ondas, o oceano também poderia ser uma fonte de energia de baixo carbono de forma surpreendente: sendo a maior mina de urânio do planeta.
A água do mar contém vestígios de urânio dissolvido, e o enorme volume do oceano significa que qualquer processo eficiente de extração desse recurso o transformaria em um suprimento virtualmente ilimitado de combustível radioativo, com até 4,5 bilhões de toneladas, quase 1000 vezes maior que as reservas terrestres de urânio.
Escrevemos recentemente que uma descoberta técnica usando tecido de fibra de carbono tratado com área de superfície suficiente para capturar íons de urânio poderia permitir a colheita de urânio por meio de uma reação eletroquímica.
Combinado com usinas nucleares flutuantes, com um modelo já operado pela Rússia e protótipos testados por empresas como Danish Saltfoss, isso poderia tornar os oceanos o futuro da energia nuclear.
Fonte: Saltfoss
Biocombustíveis de Algas: Produzindo Energia a partir do Oceano
Por fim, uma maneira do mar produzir energia diretamente poderia ser aproveitar o crescimento de microalgas para produzir biocombustíveis e outros biomateriais como plásticos.
Usando água do mar, o biocombustível de algas pode resolver o problema de abastecimento de água para instalações de biocombustível, sendo as melhores áreas regiões semi‑desérticas com muita luz solar, mas recursos limitados de água doce.
Para se tornar comercialmente viável, essa tecnologia precisará continuar otimizando o rendimento das algas, gerenciar bem o risco de contaminações das culturas e melhorar a eficiência da conversão em combustíveis utilizáveis como biodiesel.
Hidrogênio, Amônia e Metanol
A água do mar também poderia ser uma fonte de matéria‑prima para produção de hidrogênio, notavelmente por eletrólise. Em geral, a produção de hidrogênio a partir da água do mar pode ser problemática, pois o sal pode danificar os eletrocatalisadores. Portanto, idealmente, a água do mar precisa ser transformada em água doce primeiro, por meio da dessalinização.
Os processos de produção de energia, dessalinização e eletrocatalise podem ser combinados como discutimos recentemente sobre um design que combina painel solar, dessalinização por evaporação e produção local de hidrogênio.
O hidrogênio produzido poderia então ser convertido em amônia ou metanol para armazenamento e transporte mais fáceis do combustível verde.
Produzindo Hidrogênio e Combustíveis Verdes a partir da Água do Mar
Dessalinização com Energia Solar: Soluções de Água Doce Mais Verdes
Além de produzir energia diretamente do oceano, os mares também poderiam ajudar a substituir atividades que atualmente consomem muita energia, resultando em menores emissões.
A primeira delas é a dessalinização mencionada, que está se tornando uma fonte crucial de água doce para muitos países. Métodos de dessalinização aprimorados usando luz solar direta incidindo sobre o oceano poderiam reduzir a demanda de energia para produção de água doce.
Sistemas de Resfriamento com Água do Mar: Ar Condicionado Costeiro Eficiente
Este conceito é semelhante à Conversão de Energia Térmica Oceânica (OTEC) pois aproveita a temperatura muito mais fria das águas profundas. No entanto, pode ser muito mais eficiente, pois não requer conversão em eletricidade, mas simplesmente usa a água fria como refrigerante em sistemas de ar condicionado.
Fonte: Solar Impulse
Este sistema pode economizar cerca de 42% de energia em comparação com um sistema de ar condicionado convencional (2,6 km de tubulação no oceano para alcançar uma área a 930 m de profundidade).
Projetos experimentais de destaque incluem o Thassalia de 20 MW da ENGIE (GZF.DE ) e os projetos Massileo de 21 MW da EDF.
O limite deste sistema é que ele requer um sistema de ar condicionado centralizado pré‑estabelecido ao qual se conectar. Também requer que a área costeira tenha fundo marinho suficientemente íngreme para que a profundidade necessária possa ser alcançada com um tubo curto o suficiente.
Armazenamento de Energia Submarino: Hidroelétrico Bombeado e Baterias de Gravidade
Armazenamento Hidroelétrico Bombeado em Águas Profundas
Outra opção para usar o mar como fonte de energia é tratá-lo como uma bateria.
O primeiro método para isso é o armazenamento hidroelétrico bombeado em águas profundas. É um sistema semelhante ao armazenamento hidroelétrico bombeado que usa barragens e montanhas, mas aproveita a profundidade do oceano.
Fonte: Department of Energy
Isso poderia resolver um grande problema do armazenamento hidroelétrico bombeado, que é a falta de locais disponíveis de tamanho suficiente para escalar a tecnologia. Este é um problema lamentável, pois o armazenamento hidroelétrico é uma tecnologia comprovada e escalável que pode armazenar energia por semanas ou meses com pouca perda, e tem uma notável eficiência de armazenamento de 70‑80%.
Um projeto piloto está explorando essa ideia: StEnSea, ou “Stored Energy in the Sea”.
Uma série de esferas de concreto oco no leito marinho a profundidades de 600 a 800 metros, onde a pressão já é considerável.
Fonte: Clean Technica
Quando a demanda de eletricidade está baixa, essas esferas são esvaziadas de água usando bombas elétricas, armazenando o excedente de eletricidade. Quando a demanda aumenta, elas são reabastecidas, com a pressão fornecendo a energia.
Fonte: Fraunhofer Institute
Esses sistemas poderiam ser implantados junto com parques eólicos offshore, permitindo que eles amortecessem a produção intermitente de energia eólica enquanto utilizam o mesmo cabo de energia para transmitir a energia de volta à costa.
A avaliação tecnoeconômica mostra que o sistema StEnSea é competitivo em custos com o armazenamento hidroelétrico bombeado convencional (PHES).
Outra vantagem é a configuração modular alcançada ao combinar várias unidades StEnSea em uma planta. Isso aumenta a flexibilidade da planta e, portanto, a gama de aplicações possíveis.
Baterias de Gravidade Oceânicas: Armazenando Energia com Profundidade
Uma ideia semelhante ao uso da profundidade do oceano é construir baterias de gravidade offshore. Bateria de gravidade é um conceito entre outros que discutimos em “Alternativas Não Químicas às Baterias para a Transição Energética“: objetos ultra‑pesados como rochas, blocos de concreto ou agregados de minério de ferro são elevados e abaixados para armazenar ou gerar eletricidade.
Os componentes principais das baterias de gravidade também são bastante simples e já produzidos em massa: âncoras, cabos metálicos, alternadores e motores elétricos. As baterias de gravidade têm uma eficiência de armazenamento de energia de 80‑85% e podem durar até 50 anos, sem usar materiais ou metais raros. A geração de energia também pode ser muito flexível, reativa e duradoura.
A limitação do “armazenamento de energia sólido” com gravidade é que a energia armazenada a apenas algumas dezenas ou centenas de metros não é tão grande. Portanto, idealmente você precisa de muito, e de um poço de mina ou penhasco, se possível.
Uma plataforma flutuante poderia ficar acima de uma área com fundo marinho profundo e baixar ou elevar um peso por vários milhares de metros. Este conceito é chamado de Armazenamento de Energia Gravitacional em Oceanos Profundos (DOGES). Uma empresa que trabalha nesse conceito é a startup francesa Sink Float Solutions.
Atualmente, guindastes offshore com a maior capacidade de carga podem levantar massas de 4000 toneladas, o que, a uma velocidade vertical de 20 km/h, corresponderia a uma potência de 200 MW. Várias guinchos no mesmo local podem ser usados em paralelo.
Uma vantagem deste método é que as partes expostas à água do mar podem ser muito simples, apenas cabo metálico e rocha/concreto, deixando o componente elétrico e eletrônico sensível bem acima do nível do mar na plataforma flutuante.
Considerações Finais: Virando a Maré da Energia Limpa
Os mares e oceanos da Terra são talvez os maiores recursos energéticos ainda não explorados, desde a energia eólica offshore até a exploração do gradiente térmico da água profunda, marés e ondas. As mesmas características da água do mar também poderiam ser usadas para dessalinização ou resfriamento.
A luz solar que incide sobre o mar também poderia ser usada para produção de hidrogênio ou biocombustível, ajudando a descarbonizar setores difíceis de eletrificar.
Os oceanos também poderiam ser uma fonte chave de recursos ou produção de energia futura, com, por exemplo, purificação de urânio da água do mar e energia geotérmica offshore profunda.
Por fim, eles poderiam ser uma opção poderosa e escalável para armazenamento de energia, notadamente com baterias de gravidade e hidroelétrico bombeado em águas profundas.
No entanto, todas essas possibilidades devem ser avaliadas considerando as dificuldades muito reais criadas pela corrosão salina, depósitos de sal, bioincrustação e tempestades violentas & furacões.
Paradoxalmente, as soluções para esses problemas provavelmente se beneficiarão enormemente da experiência de longa data da indústria de petróleo&gás na construção de plataformas offshore e na manutenção de máquinas complexas e frágeis no mar.
