Introdução a Como funciona a energia das ondas

Como funciona a energia das onda

"Isso vai ser muito fácil", você pensa ao entrar com uma prancha de surfe na água pela primeira vez. Mas, depois da décima queda, você começa a reparar nos machucados em seu corpo e percebe o quanto as ondas do oceano são fortes e descontroladas. Mas essa força das ondas é exatamente aquilo que, segundo alguns cientistas, poderia livrar o mundo da dependência dos combustíveis fósseis.

Se você observar um globo terrestre vai perceber rapidamente que a água recobre a maior parte da superfície da Terra (cerca de 70%). E a idéia de se utilizar a energia dessa fonte natural é bastante interessante. 

Chuck Babbitt © istockphoto.com Mesmo ondas menos impressionantes que esta produzem um volume imenso de energia

Utilizar a energia das ondas implica em recolher o imenso poder das ondas oceânicas. As ondas produzem uma grande quantidade de energia e apenas uma pequena parte dela poderia ser utilizada para fornecer uma parcela da eletricidade que o mundo consome a cada dia. Ainda que variem as estimativas quanto ao montante com que as ondas poderiam contribuir para o consumo mundial de energia, há quem diga que poderia atingir os 10% [fonte: OEC (em inglês)].
Teoricamente, porém, isso não chega nem perto da quantidade de energia que as ondas do oceano poderiam prover. Apenas 0,2% bastaria para abastecer todo o planeta [fonte: Drollette (em inglês)]. Com base nisso, é surpreendente que as pessoas não estejam prestando mais atenção nisso e investindo no desenvolvimento da energia das ondas.
A parte difícil é descobrir como transformá-la em energia utilizável. Neste artigo, investigaremos os diferentes métodos desenvolvidos pelos engenheiros a fim de recolher energia das ondas. Mas primeiro é importante saber como as ondas conseguem essa energia.

Aprenda a terminologia das ondas

Quando você está estudando as ondas, é bom começar por esses termos comuns:

• Crista - a porção mais elevada da onda.

• Depressão - o ponto mais baixo em uma onda.

• Comprimento de onda - a distância horizontal entre crista e crista (ou depressão e depressão).

• Altura da onda - a distância vertical entre a crista e o ponto mais baixo da onda.

• Freqüência - medida de quantas ondas passam em um determinado período de tempo.

Como se formam as ondas

De certa maneira, a energia das ondas representa apenas mais uma forma de energia solar. Isso pode parecer estranho, mas considere que as ondas começam com o vento, que surge como resultado do aquecimento da Terra pelo Sol.
O Sol nem mesmo aquece a Terra de maneira bem distribuída. Dependendo das formações naturais da Terra e de sua orientação em relação ao Sol, alguns pontos se aquecem mais do que outros. À medida que parte do ar se aquece, ele se torna menos denso e, com isso, mais leve, flutuando naturalmente para cima. Isso deixa espaço aberto para ar mais denso e frio, que pode correr para ocupar esse espaço. O influxo de ar nesses espaços é a brisa refrescante que você sente em um dia de sol
O vento também responde por essas poderosas ondas. À medida ele corre pela superfície da água, a fricção causa ondulações. O vento continua a fazer pressão contra essas ondulações, em um efeito bola de neve que, por fim, cria uma grande onda. Essencialmente, essa ação é uma transferência de energia solar do vento para as ondas.

MichaelJay © istockphoto.com Quando o vento atinge a água, ondulações se formam. Com isso, ele consegue ainda mais tração e pressiona as ondulações até que elas se tornem grandes ondas.

Alguns fatores determinam a força de uma onda.

• Velocidade do vento - quanto mais rápido o vento, maior a onda.
• Tempo do vento - a onda cresce se o vento a atinge por tempo mais longo.
• Distância do vento - quanto mais o vento viajar de encontro à onda  (o que é conhecido como alcance), maior ela será.

Um fato interessante é que as ondas movimentam energia, e não água, por grandes distâncias. A água funciona como meio pelo qual a energia cinética - ou energia do movimento - se move. A água está se movimentando, claro, mas apenas em movimento circular. Em outras palavras, as partículas de água se comportam como as rodas que fazem girar uma cinta transportadora - elas giram para que a cinta se mova sobre elas, mas não avançam no processo.

Ondas x marés Ainda que o vento cause as poderosas ondas de superfície que usamos para extrair energia das ondas, é a atração gravitacional da Lua que causa as marés (ou altas e baixas do oceano) duas vezes por dia. A energia das marés, que é distinta da energia das ondas, também tem potencial de exploração. Poderia atender a 3% das necessidades de energia dos Estados Unidos e talvez ainda mais no caso do Reino Unido [fonte: Holzman]. "Onda de maré" é um termo equivocado e tem a ver com distúrbios subaquáticos e não com as marés.

Mas se já dispomos de turbinas eólicas para recolher a energia do vento, por que usar as ondas? Ainda que elas possam parecer um intermediário desnecessário, as ondas oferecem algumas vantagens sobre o vento no que se refere ao recolhimento da energia utilizável. Para começar, as ondas oceânicas oferecem alta densidade energética. Em outras palavras, enquanto o vento pode precisar de muito espaço para conter alguma energia, ondas recolhem grande volume de energia em espaço relativamente pequeno.
Outra vantagem é que as ondas oceânicas são confiáveis - é mais fácil prever de que maneira as ondas se moverão do que para onde soprará o vento. Além disso, o vento apenas começa uma onda, mas ela pode percorrer grande distância sozinha. Grandes ondas que viajam para longe de seu ponto de origem são conhecidas como "vagas". Isso significa que toda a superfície do oceano pode recolher energia e que as ondas vêm até nós sem que precisemos trabalhar para isso, percorrendo grandes distâncias.
Agora que sabemos como as ondas ganham sua energia, vejamos de que maneiras podemos recolhê-las.

Métodos para recolher a energia das ondas

A idéia de se aproveitar a energia das ondas oceânicas já vem sendo debatida há cerca de 200 anos. Mas foi apenas com a crise do petróleo nos anos 70 que ela conquistou atenção mais significativa [fonte: CRES (em inglês)]. O conceito ressurge sempre que os preços do petróleo aumentam.
Até agora, os engenheiros desenvolveram e implementaram diversos métodos para recolher a energia das ondas. Veja a seguir uma lista dos principais tipos de conversores da energia das ondas (WECs), ou aparelhos que convertem a energia das onda em eletricidade.

Terminadores - aparelhos que capturam a energia das ondas em posição perpendicular ao seu movimento são conhecidos como terminadores. Eles incluem um componente estacionário e um componente que se move em resposta à onda. A parte "estacionária" pode estar fixa em terra ou no piso do mar. Precisa se manter imóvel, em contraste com a porção móvel. Funciona quase como o pistão nos carros - move-se para cima e para baixo, e esse movimento pressuriza ar ou óleo que acionam uma turbina.

Wavegen
Neste diagrama de uma COA, perceba que as únicas saídas ficam no fundo, por onde entram as ondas, e no topo, onde uma passagem estreita conectada à turbina permite a passagem do ar para dentro ou para fora. Quando as ondas forçam o ar, ele percorre a passagem da turbina

A Coluna Oscilatória de Água (COA), exibida na imagem acima, é um terminador. As COAs têm duas aberturas - uma no fundo, que permite que a água entre na coluna, e uma estreita, no topo, que permite que o ar entre e saia. Quando as ondas enchem a coluna de água, isso pressuriza o ar no interior e o força a passar pela abertura superior. O ar encontra a turbina e a movimenta. Depois, quando as ondas recuam, a água corre para fora, e isso suga o ar de volta pelo topo, acionando a turbina de novo.

Outro terminador, um dispositivo de alagamento, inclui uma parede que recolhe a água das ondas em um reservatório. A água pode escapar por uma abertura mas, ao passar, aciona uma turbina. O tipo mais famoso de terminador é conhecido como Salter's Duck e inclui uma cabeça flutuante, em formato de lágrima, que aciona a turbina. Ainda que não tenha sido construído na prática, esse aparelho seria teoricamente o WEC mais eficiente.

Wave Dragon
Neste diagrama, você vê como funciona um dispositivo que opera por alagamento. Depois que a onda passa sobre a muralha e enche o reservatório, a água se esgota por uma saída na qual aciona uma turbina.

Atenuador  - esses aparelhos têm orientação paralela à do movimento da onda. Um dos mais conhecidos exemplos é o do Pelamis, uma série de longos aparelhos cilíndricos flutuantes conectados uns aos outros por dobradiças e ancorados ao leito do mar. As partes cilíndricas acionam aríetes hidráulicos nas seções conectadas, que acionam um gerador elétrico. O aparelho envia a eletricidade ao piso do mar por um cabo e de lá ela percorre outro cabo que a conecta à terra.

Pelamis Wave Power Ltd
Uma concepção artística mostra uma fazenda de aparelhos Pelamis. Como atenuadores, eles seguem a mesma orientação das ondas.

Absorvedor pontual - esses aparelhos não ficam posicionados de forma específica em relação ao movimento das ondas, mas, em vez disso, podem "absorver" a energia das ondas que venham de qualquer direção. Um desses aparelhos é o Aquabuoy, desenvolvido pela Finavera. Em um tubo vertical sob a água, as ondas passam e acionam um pistão, um disco flutuante conectado a bombas e mangueiras. O movimento pressuriza a água no interior do tubo e movimenta uma turbina conectada a um gerador elétrico [fonte: Finavera (em inglês)]. Muitos Aquabuoys podem enviar eletricidade a um ponto central. Desse ponto, a eletricidade é transmitida ao piso do mar e  de lá à terra por um cabo.

Finavera Renewables
O AquaBuoy usa as ondas para acionar um pistão em forma de disco, no interior de um tubo, para pressuizar a água do mar. As bombas e mangueiras conectadas ao tubo levam a água pressurizada a acionar um gerador.

Diversos WECs operando em conjunto, como estruturas Pelamis ou Aquabuoy combinadas, formam uma fazenda de ondas.
Na próxima página, investigaremos as dificuldades envolvidas em manter a energia das ondas à tona na economia atual.

Obstáculos à energia das ondas

Sempre que os preços do petróleo aumentam, o mundo anseia por energias alternativas e renováveis. Apesar dessa atitude favorável, diversos problemas impedem que a energia das ondas atenda a essa demanda.

Algumas estimativas dizem que a tecnologia de energia das ondas hoje existente poderia atender a talvez 10% das necessidades mundiais de energia. Em teoria, porém, caso a tecnologia dessa forma de energia avance consideravelmente, no futuro ela poderia fazer muito mais. Engenheiros estão tentando diversos métodos diferentes, mas nenhum desses métodos oferece alta eficiência na conversão de energia, até o momento. Um dos dilemas de projeto, no que se refere à energia das ondas, é que a freqüência das ondas é baixa demais para acionar uma turbina de maneira muito efetiva [fonte: Chauhan (em inglês)].

iStockPhoto
Ainda que o preço do petróleo aumente, o custo da energia das ondas precisaria cair muito para que ela possa ser largamente utilizada

Mas também é preciso que esses aparelhos tenham preço baixo o suficiente para que seja compensador desenvolvê-los e utilizá-los. Caso a energia das ondas não se torne tão barata quanto os combustíveis fósseis (ainda o preço destes aumente) ou a energia nuclear, será difícil para ela ganhar posição competitiva na batalha da energia.
Na Europa, durante a crise de energia dos anos 70, os proponentes da energia das ondas disputaram verbas de pesquisa com os proponentes da energia nuclear e saíram derrotados, por isso alguns dos programas de pesquisa sobre essa forma de energia foram abandonados. O investimento em energia nuclear parecia mais promissor do que investir em energia das ondas.
No entanto, até mesmo os 10% mencionados anteriomente são um volume considerável, se levarmos em conta que apenas algumas áreas do mundo oferecem facilidades naturais para a captura de ondas. Como precisamos de ondas consistentes e enérgicas para acionar os WECs, as melhores zonas para capturar energia das ondas são as que ficam entre os 30 e os 60 graus de latitude [fonte: EUOEA (em inglês)]. Nos Estados Unidos, a costa do Oregon se provou o local mais prático. A Escócia, que recebe fortes ondas, é um dos pontos quentes para experiências e adoção de novos métodos de captura da energia das ondas. E Portugal vem trabalhando na vanguarda das fazendas de ondas, utilizando aparelhos Pelamis.
Ainda que ondas sejam de certa maneira mais confiáveis que o vento, não podemos depender sempre delas, o que significa que precisaremos de métodos eficazes de armazenagem de energia. Por outro lado, ocasionalmente as ondas e o clima são severos demais para que os aparelhos resistam. Assim, precisamos não só de WECs mais eficientes, mas também torná-los incrivelmente duráveis, o que pode elevar os custos.