Eólica offshore flutuante
A energia eólica offshore flutuante: um marco para impulsionar as energias renováveis através da inovação
A força do vento é mais poderosa no oceano do que em terra, daí o desenvolvimento da energia eólica offshore nos últimos anos. Até recentemente, como eram baseadas em estruturas fixas, não podiam ser instaladas em locais muito profundos ou com fundos marinhos complexos, algo que mudou com o aparecimento de estruturas flutuantes. Agora, as turbinas eólicas podem ser instaladas nestas plataformas que são ancoradas no fundo do mar por meio de ancoragens flexíveis, correntes ou cabos de aço.
O principal desafio que a humanidade enfrenta hoje em dia é o de alcançar um planeta verde e sustentável. Para conseguir isso, as energias renováveis desempenharão um papel fundamental e o esforço para inovar no setor é particularmente intenso. Os avanços convidam ao otimismo e, neste artigo, vamos nos concentrar em um deles: a energia eólica flutuante offshore, um dos derivados mais promissores.
O que é a energia eólica offshore flutuante
Antes de tudo, vamos definir energia eólica offshore: é uma fonte de energia limpa e renovável obtida pelo aproveitamento da energia do vento offshore, onde atinge uma velocidade maior e mais constante devido à falta de barreiras. Seu alto potencial e valor agregado estratégico, tanto em nível socioeconômico quanto ambiental, fazem dela uma das fontes renováveis chamadas a desempenhar um papel crucial no processo de descarbonização.
O vento flutuante offshore, baseado em estruturas flutuantes em vez de fixas, oferece novas oportunidades e alternativas. Basicamente, abre a porta para locais mais afastados da costa, permitindo a instalação de aerogeradores em áreas marinhas maiores e mais profundas com maior potencial eólico. Assim, esta modalidade supera um obstáculo para oferecer energia limpa, inesgotável e não poluente para um planeta mais sustentável.
As vantagens do vento flutuante offshore incluem o impacto ambiental potencialmente baixo e a facilidade de fabricação e instalação, já que as turbinas e plataformas flutuantes podem ser construídas e montadas em terra e depois rebocadas para o local de instalação offshore. Além disso, como observado acima, eles podem aproveitar os fortes ventos que sopram nas áreas mais profundas, o que melhora a eficiência energética.
A energia eólica offshore flutuante em 3D (versão espanhola)
O primeiro parque eólico offshore flutuante da Espanha (versão espanhola).
Como funciona a energia eólica offshore flutuante
Para descobrir como funciona a energia eólica flutuante offshore, devemos primeiro responder à seguinte pergunta: por que as turbinas eólicas flutuam no mar como estruturas de 120 metros de altura e pesando milhares de toneladas? A solução foi dada por Arquimedes há 2.300 anos: "um corpo total ou parcialmente submerso em água experimenta um impulso vertical para cima igual ao peso da água desalojada".
Uma plataforma flutuante (Floating Offshore Wind Platform - FOWP) é a subestrutura de concreto, aço ou híbrida sobre a qual a turbina eólica é instalada e lhe proporciona flutuabilidade e estabilidade. Algumas pessoas a chamam de "fundação flutuante", um termo que não é correto porque as plataformas flutuantes não são fundadas no fundo do mar, mas são ancoradas e amarradas.
Os parques eólicos flutuantes são compostos de turbinas eólicas que são colocadas sobre estruturas flutuantes e estabilizadas por âncoras e ancoragens, e pela forma como o projeto da estrutura distribui as massas e pesos. De lá, o processo é o usual: a força do vento transforma as pás e a turbina eólica converte a energia cinética em eletricidade, que é transportada por cabos submarinos para uma subestação marinha e de lá para uma terrestre localizada na costa para finalmente alcançar as casas através das linhas de energia elétrica.
Além de flutuantes, as turbinas eólicas devem produzir o máximo de energia possível e para isso é essencial que elas permaneçam estáveis, minimizando qualquer tipo de movimento e garantindo o funcionamento em condições ideais. É aqui que entram em jogo os diferentes tipos de plataformas flutuantes para turbinas eólicas, que analisaremos a seguir.
Tipos de plataformas flutuantes para aerogeradores
A energia eólica flutuante offshore é baseada em plataformas flutuantes para turbinas eólicas. A escolha de um ou outro tipo dependerá das condições do mar e do fundo do mar, dos ventos na área, do tamanho da turbina eólica, da profundidade dos portos, das instalações de fabricação ou da disponibilidade e do preço dos materiais e equipamentos. A seguir, descrevemos algumas delas:
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Barge (Barcaça, em portugués). O conceito é semelhante ao de um barco em termos de dimensões. Ou seja, o tamanho da viga e o comprimento (comprimento e largura) é significativamente maior do que a corrente de ar (altura). A plataforma flutuante tem muita área de superfície em contato com a água, que é precisamente o que lhe dá estabilidade. Como os navios, eles são feitos para se moverem e evitarem o excesso de tensão e tensões na estrutura. Para minimizar esses movimentos, a plataforma é normalmente equipada com placas de alheta, que são superfícies que são colocadas abaixo da linha de água.
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Semi-submersible (Semissubmersível, em portugués). Este projeto procura minimizar a área de superfície exposta à água, mas sempre maximizando o volume, que é o que realmente desloca a massa de água e proporciona flutuabilidade. Geometricamente, o ideal seria uma esfera (volume máximo com a menor superfície), mas uma esfera não é prática de fabricação, de modo que os volumes que proporcionam flutuabilidade são divididos em vários cilindros verticais (ou paralelepípedos), que são unidos por vigas e escoras para criar uma superfície sobre a qual instalar a turbina. Sua estabilidade é dada por seu tamanho e pela distância entre eles.
VER INFOGRÁFICO: Os diferentes tipos de plataformas flutuantes para aerogeradores [PDF]
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Spar. Neste modelo, a maior parte do peso é colocada no ponto mais baixo possível para dar estabilidade. Por exemplo, se jogarmos um cilindro oco e impermeável na água, ele flutuará se a relação entre a altura e a superfície da base for suficiente para que o volume de água deslocado compense seu peso. Se o cilindro for homogêneo, ele não será estável flutuando verticalmente e se inclinará para flutuar horizontalmente. Para evitar isto, o cilindro é dotado de muita massa na extremidade oposta do local onde a turbina é instalada para manter a verticalidade. Em resumo, flutuabilidade é dada pela geometria do cilindro, enquanto a estabilidade é dada pelo peso no ponto mais baixo. Como as turbinas estão ficando cada vez maiores, ela força cilindros muito longos para compensar os pesos, o que torna esta solução muito difícil de fabricar, transportar e instalar.
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Tensioned Legs Platform (TLP). O conceito mais inovador e atualmente o mais arriscado tecnicamente: a plataforma não flutua realmente como tal uma vez que a turbina tenha sido instalada nela. O objetivo é reduzir ao máximo as dimensões, a fim de diminuir os custos de fabricação. A geometria estelar de três, quatro ou cinco braços reduz os volumes de cada braço a um mínimo para que a plataforma flutue sem carga, ou seja, sem a turbina eólica instalada. Antes da instalação, para evitar que o conjunto gire à medida que o centro de gravidade do conjunto, flutuadores temporários e reutilizáveis são fixados à plataforma TLP, que por sua vez permite que ela seja rebocada para o local de ancoragem offshore. Uma vez lá, os cabos ou tendões de aço tensionados são conectados e os flutuadores temporários são desconectados para serem reutilizados na próxima plataforma TLP a ser instalada.
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Por que são feitos parques eólicos flutuantes?
A velocidade e a freqüência do vento é maior e mais estável no mar do que em terra, pois não há obstáculos para limitar seu caminho (um conceito conhecido como fetch). Além disso, estar localizado longe da costa minimiza o impacto visual. Outra razão é que a maior parte do trabalho de fabricação e montagem pode ser feita no porto, com a unidade sendo então rebocada para o local offshore. Isto evita o uso das embarcações de instalação necessárias para fundações fixas, tais como embarcações jack-up ou de posicionamento dinâmico (embarcações muito caras e escassas que condicionam o tempo e o custo de instalação destas fundações). A instalação de plataformas flutuantes, por outro lado, requer principalmente rebocadores e navios lança-cabos, que são relativamente freqüentes e mais baratos do que os anteriores.
A que profundidade as turbinas eólicas flutuantes podem ser instaladas?
Geralmente, assume-se que os parques eólicos flutuantes serão instalados naquelas profundidades que as fundações fixas não podem alcançar por razões técnicas ou econômicas. Entretanto, a fronteira de profundidade entre os parques eólicos fixos e flutuantes está se tornando difusa. Novas configurações estão sendo estudadas que permitem a instalação de plataformas flutuantes em águas relativamente rasas, especificamente nos locais onde as condições do fundo do mar representam um risco para a instalação de plataformas fixas. Atualmente, é tecnicamente viável instalar plataformas flutuantes entre 60 e 300 metros, e estão em andamento estudos para aumentar este alcance para águas mais rasas, até 30 metros, ou mais profundas, até 800 metros, embora isto não seja economicamente viável no momento.
Quais são as diferenças entre uma plataforma de vento flutuante e uma plataforma de petróleo flutuante?
Antes dos projetos de plataformas flutuantes para turbinas eólicas, a indústria petrolífera já havia utilizado plataformas flutuantes para suas instalações de extração e muitos dos conceitos foram transferidos de uma indústria para outra. No entanto, os desenhos não são diretamente extrapoláveis. As principais diferenças são:
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As cargas em uma plataforma de vento flutuante são principalmente dinâmicas devido à turbina eólica, enquanto que em uma plataforma de petróleo flutuante o equipamento instalado transmite principalmente cargas estáticas.
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Um poço de petróleo offshore concentra a produção em uma única unidade, de modo que o projeto pode ser conservador e redundante. Em um parque eólico offshore, a geração de energia é distribuída por dezenas de unidades, portanto, o projeto deve ser mais eficiente para tornar os custos acessíveis.
Como é exportada a energia de um parque eólico offshore?
Os parques eólicos evacuam a energia produzida de sua estação transformadora através de uma linha de força para uma subestação de distribuição, que a transporta até o usuário final. Se o parque eólico offshore estiver localizado próximo à costa, ele pode evacuar a eletricidade através de um cabo de exportação diretamente para uma subestação em terra. Por outro lado, se estiverem localizadas longe da costa, uma subestação offshore (flutuante ou aterrada) é necessária para elevar a tensão da energia gerada pelas turbinas (geralmente de 66 kV para 220 kV) e permitir que seja enviada para uma subestação onshore de onde é distribuída.
Quais são os movimentos de uma plataforma flutuante?
Os nomes dos movimentos são herdados da nomenclatura da engenharia naval:
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Movimentos lineares na horizontal: avanço (surge) e deriva (sway). O aerogerador nem sempre está na mesma posição, mas dependendo da flexibilidade das amarras e da profundidade do mar, ela pode se mover entre 20 ou 50 metros em torno de um ponto central.
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Movimento na vertical: arfagem (heave). É importante minimizar este movimento através do projeto da plataforma flutuante, pois ele afeta a posição do cubo (ponto central do rotor da turbina eólica) e a velocidade do vento está diretamente relacionada com a altura.
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Movimentos angulares: balanço (roll), guinada (yaw) e caturro (pitch). Estes movimentos devem ser minimizados para evitar acelerações ao nível da turbina, que tem mais de 120 metros de altura. Um pequeno deslocamento angular no nível da plataforma flutuante, por exemplo, se traduz em um grande movimento linear no ponto mais alto da estrutura que, se não for controlado, pode danificar e reduzir a vida útil dos elementos mecânicos localizados na nacele, que é a carcaça de três andares do tamanho de um edifício, onde é colocado o equipamento eletromecânico responsável por transformar a velocidade do vento em energia elétrica.
O que é a amarração (mooring)?
Este é o elemento que segura e conecta de forma flexível a plataforma flutuante ao ponto de ancoragem no fundo do mar. Geralmente consistem de correntes, cabos de aço ou cabos sintéticos. A escolha de um ou outro tipo de amarração depende da profundidade, do tipo de plataforma flutuante e das condições climáticas (ondas, correntes, ventos):
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Com catenária. Esta é a forma que a amarração ou cabo adota quando não está tensionada e o principal fator que lhe dá forma é seu próprio peso, e é o mais freqüente. Neste caso, as amarrações não são tensionadas além da carga de seu próprio peso. Dependendo da profundidade da água, restrições de movimento da plataforma e materiais, flutuadores e pesos podem ser adicionados aos ancoradouros para modificar a forma da catenária para que adotem configurações "S" ou similares (lazywave).
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Amarrações tensionadas (taut mooring). Quando uma amarração catenária é tensionada mecanicamente, o objetivo é reduzir a pegada da amarração (superfície do leito marinho afetada) e o comprimento do cabo ou corrente utilizado, e aumentar as restrições de movimento da plataforma flutuante.
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TLPs (Tensioned Legs Platforms). As ancoragens de TLP são tendões que funcionam de forma diferente das catenárias tensionadas. Eles são indicados para grandes profundidades devido à economia de material que implicam.
O que são os sistemas de ancoragem e que tipos existem?
As âncoras são os elementos que ligam as amarras ao fundo do mar. As utilizadas nas turbinas eólicas flutuantes offshore podem ser as seguintes e dependem das características do fundo do mar e das cargas:
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Âncoras de arrasto (dragging anchors). Semelhantes aos utilizados pelos navios. Este sistema suporta a tensão em uma direção (com um certo ângulo de tolerância).
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Baldes de sucção (suction buckets). Estruturas de aço (geralmente cilíndricas) abertas na extremidade inferior que descansam sobre o fundo do mar sobre o qual exerce sucção para criar uma diferença de pressão (vácuo) e causar ancoragem. Eles precisam de fundos marinhos de texturas equilibradas (arenosos ou arenosos-amarelos) para funcionar corretamente e não são adequados para fundos marinhos rochosos ou de granulação grossa. Aqueles com uma dimensão predominantemente vertical são normalmente chamados de estacas de sucção e aqueles com uma geometria quadrada são chamados de caixotões de sucção.
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Estacas conduzidas ou perfuradas (driven or drilled piles). Estas são as mesmas estruturas utilizadas nas fundações fixas para ancorar a subestrutura ao fundo do mar. Geralmente são grandes cilindros de metal ocos que são acionados (martelados) no fundo do mar (no caso de solos rochosos ou duros, é necessário perfurá-los para instalá-los). Estas estacas exigem barcos especiais para sua instalação, durante os quais são produzidos ruídos e sedimentos em suspensão. Por esta razão, em projetos de vento flutuante seu uso será reduzido aos locais com condições que impossibilitam o uso de outras alternativas.
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Peso morto ou âncoras de gravidade. São estruturas maciças de concreto sobrepostas no fundo do mar. Eles geralmente têm uma pegada muito grande no fundo do mar, por isso é preferível limitar seu uso a situações muito específicas e assim minimizar o impacto.