A ÁGUA DO OCEANO QUEIMA ? ou O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

1. A ÁGUA DO OCEANO QUEIMA ? ou O MAR COMO FONTE DE ENERGIA Demétrio Bastos Netto COPPE / UFRJ – SEMINÁRIO DE COMBUSTÃO E ENERGIA 21/08/2009

2. VALE SOLUÇÕES EM ENERGIA ESTA APRESENTAÇÃO É CALCADA EM QUATRO OUTRAS: A PRIMEIRA DELAS REALIZADA EM FEV. 1986 EM BRASÍLIA, DF SOB OS AUSPÍCIOS ABEAS (Assoc. Bras. de Educ. Agrícola Sup.) com apoio CAPES/MEC NUM CURSO SOBRE OUTRAS FONTES DE ENERGIA ALTERNATIVA. A SEGUNDA REALIZADA EM 19/10/2005 NA UNESP EM RIO CLARO. A TERCEIRA DE NOVO EM BRASÍLIA NO COBEM (NOVEMBRO DE 2007), DURANTE O WORKSHOP DE COMBUSTÃ0 (RAZÃO DO QUESTIONAMENTO DO TÍTULO) E A QUARTA, RECENTEMENTE, EM 18/10/2008 NA UNIVAP EM SÃO JOSÉ DOS CAMPOS

3. Honrado pelo convite para falar sobre o “O MAR COMO GERAÇÃO DE ENERGIA”, de novo presto homenagem a dois cientistas, colegas meus que, vivendo décadas antes de seus tempos, ensinaram-me com entusiasmo, paciência e imaginação, o pouco que sei: O Alte. PAULO DE CASTRO MOREIRA da SILVA e O Dr. BELA JOHN EDWARD ZETTL

4. A primeira parte do título de nossa apresentação: ÁGUA DO MAR: “DEVÍAMOS SIMPLESMENTE QUEIMÁ-LA?” parece um poucoestranha. Entretantodia 09/09/2007 apareceu um Artigopor David Templeton na Pittsburgh Post-Gazette com o título: “Salt water as fuel? Erie man hopes so” Eis o Artigo original a mimenviado via E-Mail por um grande amigo (hojemeuchefe) que, aofazê-lo, certamentenãoacreditavaemsuaimediatavalia:

5. Salt water as fuel? Erie man hopes so Sunday, September 09, 2007 By David Templeton, Pittsburgh Post-Gazette For obvious reasons, scientists long have thought that salt water couldn't be burned. So when an Erie man announced he'd ignited salt water with the radio-frequency generator he'd invented, some thought it a was a hoax. John Kanzius, a Washington County native, tried to desalinate seawater with a generator he developed to treat cancer, and it caused a flash in the test tube. Within days, he had the salt water in the test tube burning like a candle, as long as it was exposed to radio frequencies. His discovery has spawned scientific interest in using the world's most abundant substance as clean fuel, among other uses.

6. Dr. Rustum Roy, a Penn State University chemist, held a demonstration last week at the university's Materials Research Laboratory in State College, to confirm what he'd witnessed weeks before in an Erie lab. "It's true, it works," Dr. Roy said. “ Everyone told me,Rustum, don't be fooled. He put electrodes in there.' "But there are no electrodes and no gimmicks, he said.Dr. Roy said the salt water isn't burning per se, despite appearances. The radio frequency actually weakens bonds holding together the constituents of salt water -- sodium chloride, hydrogen and oxygen -- and releases the hydrogen, which, once ignited, burns continuously when exposed to the RF energy field. Mr. Kanzius said an independent source measured the flame's temperature, which exceeds 3,000 degrees Fahrenheit {nearly 1650 degrees Centigrade}, reflecting an enormous energy output.

7. As such, Dr. Roy, a founding member of the Materials Research Laboratory and expert in water structure, said Mr. Kanzius' discovery represents "the most remarkable in water science in 100 years.” But researching its potential will take time and money, he said. One immediate question is energy efficiency: The energy the RF generator uses vs. the energy output from burning hydrogen. Etc. Etc. 1375.73 K VAMOS ENTÃO VER O MAR COMO FONTE DE ENERGIA !

8. VALE SOLUÇÕES EM ENERGIA O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.1 - Introdução 1.2 - GradienteTérmico dos Oceanos 1.2.1 - A ReservaTérmica do Oceano 1.2.2 - Sistemas de Conversão da EnergiaTérmica dos Oceanos 1.3 - Gradientes de Salinidade – Osmose 1.4 - A Energia das Marés 1.5 - Energia das Ondas 1.6 - Energia das Correntes 1.6.1 - Limite de BETZ 1.7 - Energia da Biomassa 1.8 - A FusãoTermonuclearControlada 1.9 - EmpregoConjugado da Energia Solar com os Gradientes do Oceano

9. O homem não deve viver do planeta que habita, mas sim conviver com ele. É fato sabido que para esta metade do século XXI está prevista uma demanda de eletricidade de 1028 erg (2,7x105 Twh). Por outro lado 3/4 da superfície da Terra são cobertos por água. Assim, dos 600x106Twh de energia solar que aqui chegam anualmente, 120x106 Twh são absorvidos e armazenados pelos oceanos, sob a forma de energia térmica, química, mecânica e bioquímica (o balanço sendo principalmente refletido). Para se ter uma idéia da proporção dessa energia no balanço global, basta lembrar que os três primeiros metros da camada superficial do oceano armazenam mais energia solar que toda a atmosfera (e aí estão incluídos os ventos, da brisa ao furacão). O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.1 - INTRODUÇÃO Nestetrabalhoprocuramosdescrever o estado da arte no aproveitamentodaquelaenergiaemsuasdiversasformas, cuidando-se obviamente de se excluir o Petróleo (estetambémcadavezmaisbuscadosob osoceanos). Vale a pena listar por seu potencial as grandes energias utilizáveis do oceano cujas técnicas (e sugestões de técnicas) de aproveitamento discutiremos a seguir Vale a pena listar por seu potencial as grandes energias utilizáveis do oceano cujas técnicas (e sugestões de técnicas) de aproveitamento discutiremos a seguir.

10. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA AS GRANDES ENERGIAS UTILIZÁVEIS NO OCEANO A) A EXPLORAÇÃO DO GRADIENTE TÉRMICO ENTRE A SUPERFÍCIE E 0 FUNDO: 40 BILHÕES DE MW. B) A EXPLORAÇÃO DOS GRADIENTES DE SALINIDADE (POR EXEMPLO), NA FOZ DOS RIOS: 1,4 BILHÕES DE MW. C) A EXPLORAÇÃO DAS CORRENTES MARINHAS: 5 MILHÕES DE MW. D) A EXPLORAÇÃO DAS MARÉS: 2,7 MILHÕES DE MW. E) A EXPLORAÇÃO DAS ONDAS: 2,5 MILHÕES DE MW. F) APROVEITAMENTO DO POTENCIAL DE BIOMASSA (ASSUMINDO UMA EFICIÊNCIA DO PROCESSO FOTOSSINTÉTICO DE 2%): 274 MILHÕES DE MW.

11. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2 - GRADIENTE TÉRMICO DOS OCEANOS Então, como vimos, o mar apesar de “mecânico” em sua aparência – “o bramir das ondas, a força das correntes marinhas, etc” - é muito mais “Térmico” (aliás, até o potencial osmótico é muito maior que o mecânico). O oceano (como a atmosfera) apesar das aparências, está sob o domínio da Energia Térmica. Basta lembrar que toda a energia mecânica dissipada no oceano (em suas diversas formas) é no máximo da ordem de 0,1% da energia que o mar entrega à atmosfera no processo de evaporação. Assim a energia mecânica marinha é apenas um subproduto, irrisório até mesmo se comparada com o fluxo térmico das camadas profundas do oceano.

12. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2 - GRADIENTE TÉRMICO DOS OCEANOS Fato é que embora longe de ser insignificante o fluxo da energia mecânica do oceano: - arrebentação das ondas na costa: 6x10-3 W/m2 - marés: 3x10-3 W/m2 - correntes: 3x10-3 W/m2 - ondas ao largo: 3 x 10-4 W/m2 ela se amesquinha diante da energia térmica: somente por evaporação o oceano transmite à atmosfera 75 W/m2 Assim o gradiente térmico é, de longe, o principal recurso utilizável, com cerca de 40 bilhões de Megawatts, excedendo com folga os 32 bilhões estimados para o consumo da humanidade neste Milênio recém-iniciado.

13. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2.1 - A Reserva Térmica do Oceano A quase-opacidade da água à radiação solar (especialmente nos maiores comprimentos de onda, do infravermelho próximo em diante) dá aos oceanos uma estrutura térmica característica que, na figura ao lado está representada para o oceano brasileiro: Distribuição de temperatura e nitratos no oceano.

14. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2.1 - A Reserva Térmica do Oceano Na realidade, a figura anterior é típica para todos os oceanos (com exceção dos polares), isto é 76% de suas águas tem uma temperatura menor que 4ºC, a temperatura média dos oceanos sendo de 3,52ºC (próxima figura). Mas isso não é tudo. Deve ser lembrado que essas águas profundas e frias, não penetradas pela luz contém muitas vezes mais nitratos (ver figura) , fosfatos e silicatos (os sais nutrientes) que as águas superficiais. A exposição dessas águas profundas à luz solar seria suficiente para multiplicar a produção orgânica do oceano por fator da ordem de 100 (hoje limitada exatamente pela escassez desses sais na zona eufótica). Assim, a camada superficial dos oceanos (50 a 100 metros de espessura) representa uma reserva de energia térmica disponível para o homem que nada mais é do que energia solar armazenada. Aqueles que criticam a energia solar pelo fato de que, não sendo constante nem mesmo regular, ela deve ser armazenada - operação difícil - esquecem-se que o oceano (72% da superfície do globo) tem como sua função geofísica principal, exatamente aquela de armazenar a energia solar. As zonas tropicais e equatorial, assim se constituem no reservatório principal desta energia. Infelizmente esta energia é armazenada numa temperatura relativamente baixa (cerca de 25ºC).

15. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2.1 - A Reserva Térmica do Oceano Percentagem volumétrica das águas oceânicas em diferentes temperaturas.

16. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2.1 - A Reserva Térmica do Oceano Todos sabem é “impossível operar uma máquina térmica trocando calor com uma só fonte” (esta é uma maneira de se apresentar a 2a LEI DA TERMODINÂMICA). O que caracteriza o oceano entretanto é que, próximo à esta imensa “fonte quente”a 25º C existe uma fonte fria praticamente inexaurível de água gelada (4ºC ou menos!). Daí a idéia já antiga – D´Arsonval propôs seu emprego em 1881 de se montar uma máquina térmica usando a água da superfície do oceano como fonte quente (25ºC) e a água profunda como fonte fria.

17. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2.2 - Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos CICLOS TERMODINÂMICOS DE SISTEMAS OTEC (I) (A) CONCEPÇÃO DE CICLO ABERTO.

18. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2.2 - Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos G. Claude (Ref. 4) gerou em 1930 22 Kwe em Cuba (Baía de Matanzas) usando uma diferença de temperatura de apenas 13º C. Companhias de utilidades públicas francesas projetaram diversas usinas para operarem no Caribe e na Costa Oeste da África entre1940 e 1960. Em particular em 1956 (Abidjan) chegou-se a operar usina que, com um ΔT = 22°C, gerava 15 Mwe! Vale notar que tais projetos não foram levados adiante principalmente pela competição, em preço, de outras fontes de energia. Entretanto a crise de energia, levou cientistas e Organizações Governamentais em todo o mundo a renovarem seus interesses na aplicação da idéia de D´Arsonval.

19. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2.2 - Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos O conceito de Ciclo Fechado (B) emprega como fluido de trabalho um material com baixo ponto de Fusão (Amônia, NH3), tem sido sugerido como primeira opção, embora haja outros candidatos tais como Buteno-1, Cloreto de Metila, Difluoretano e os refrigerantes R11, R12, R21, entre outros (Esses não muito gentis com a camada de ozônio). A Amônia é vaporizada num trocador de calor (1-2) (evaporador) recebendo calor da água oceânica morna (- 25ºC). Este vapor trabalha numa turbina (2-3) que move um gerador produzindo eletricidade. O vapor de amônia é então condensado noutro trocador de calor (3-4) (condensador) pela água fria profunda (- 5°C) sendo dai bombeada (4-1) de volta para o evaporador, num ciclo de Rankine clássico.

20. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2.2 - Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos CICLOS TERMODINÂMICOS DE SISTEMAS OTEC (II) (B) CONCEPÇÃO DE CICLO FECHADO.

21. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2.2 - Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos Qualquer que seja a técnica empregada, a diferença de temperatura, ΔT entre a água de superfície e a água profunda é naturalmente um elemento chave na viabilidade econômica do processo. Estudos normalmente consideram um ΔT típico de 22°C. Entretanto vale notar que uma variação de 2ºC deste valor nominal pode acarretar até cerca de 25% de variação na potência líquida com impacto significante na economia da usina. Um valor de ΔT de 20ºC é considerado como um limite inferior para usinas economicamente viáveis. Isto restringe o emprego da OTEC às regiões tropicais. A eficiência térmica ideal (Carnot) é baixa, de 2 a 3%. Daí grandes volumes d’água com enormes superfícies de troca de calor são essenciais para que se obtenha quantidades razoáveis de potência líquida, o que resulta em usinas caras e grandes.

22. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2.2 - Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos Por outro lado muitas são as aplicações propostas para tais sistemas e suas variações. 0 produto principal de uma usina OTEC é eletricidade. Esta eletricidade pode ser transmitida para uma malha local para consumo público. Entretanto, dependendo do ponto de geração, esta pode não ser a melhor solução. Tal eletricidade pode ser usada em processos de alto consumo de energia como na produção de Alumínio ou na fabricação de Amônia para fertilizantes ou até mesmo para a obtenção do combustíveis sintéticos em Pólos Petroquímicos Água doce é um subproduto direto das usinas OTEC de ciclo aberto, podendo também ser obtida indiretamente nas OTEC's de ciclo fechado (usando as águas quente e fria em dessalinizadores “flash” múltiplo estágio). A água fria pode ser usada em unidades de refrigeração para condicionamento de ar ou armazenagem de produtos refrigerados. A água fria, rica em sais nutrientes, pode ser usada em estações de maricultura. Dependendo do local e do mercado cada uma dessas aplicações tem maior ou menor potencial.

23. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2.2 - Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos Em especial uma opção foi proposta para o NE brasileiro. Eis um esquema dessas aplicações: Aplicações da Tecnologia das Usinas OTEC.

24. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2.2 - Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos Usinas OTEC podem ser montadas sobre plataforma, em navios, fundeados ou mesmo ficarem na costa, dependendo da região e dos propósitos envolvidos. Por exemplo, uma usina OTEC montada num navio operando a 300 milhas da costa deverá utilizar a energia para ali mesmo fabricar um produto de uso intenso de energia. Alias, um estudo financiado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos da América (mais precisamente pela ERDA, sua antecessora), ao revelar as melhores áreas para implantação de um sistema OTEC, gerou um ante-projeto de uma daquelas usinas a bordo de um navio que utilizaria a eletricidade para fabricar amônia (a partir do Nitrogênio do ar e do Hidrogênio da água – síntese de Harber). Essa amônia seria transportada para os E.U.A, uma atividade ainda assim economicamente viável. Tal navio ficaria a mais de 200 milhas do Nordeste Brasileiro.

25. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2.2 - Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos Qualquer que seja a técnica usada, uma usina dessas envolve trocadores de calor, turbina-gerador, a tubulação de água fria, etc enfim uma plêiade de componentes importantes e caros. Entretanto o Congresso Americano em 1980 publicou as seguintes conclusões sobre o assunto: a - A tecnologia está disponível para sistemas pequenos de 10-40 MWe, embora testes de componentes para os trocadores de calor, tubulações de água fria e cabos de transmissão elétrica devam ser necessários para qualificação final. b - A prova técnica foi feita no Mini-OTEC no Havaí (Projeto piloto da OTEC que operou sobre uma barcaça entre 1977 e 1980, no Havaí, gerando 50 KWe).

26. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.2.2 - Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos c - Os efeitos biológicos (Biofouling) sobre os trocadores de calor e sobre o desempenho do sistema podem ser minimizados por contramedidas eficazes. d - O ciclo aberto é uma alternativa atraente para pequenas unidades devido a sua habilidade em produzir água doce. e - A construção de usinas de 100-400 MWe, flutuantes requerem desenvolvimento significativo de engenharia para o fundeio, para a tubulação de água fria e para os cabos de transmissão submersos, dado o estado atual da tecnologia.

27. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Como é bem sabido o processo de dessalinização custa dispêndio de energia. Será então que o processo oposto, ou seja, o salgamento de uma massa de água doce por outra, salgada, envolveria liberação de energia, eventualmente aproveitável? A resposta é afirmativa, e mais, não é difícil estimar-se a potência dissipada ao se misturar, por exemplo, as águas de um rio com as do oceano. Da Termodinâmica, a função de Helmholtz (ou função de energia livre ou função de trabalho) é: F = E – TS. Daí, dF = dE – TdS – SdT, onde T é a temperatura absoluta, E a energia interna e S a entropia do sistema.

28. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Por outro lado a relação bem conhecida: TdS = dE + pdV onde p é a pressão e V o volume, que é válida para uma substância pura, pode ser escrita, para uma mistura, onde μi é o potencial químico e Xié afração molar da componente i da mistura. Lembrem-se que ambas são válidas para quaisquer processos, reversíveis ou irreversíveis, pois envolvem apenas propriedades termodinâmicas, que como todos sabem, são funções de ponto.

29. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Assim, para um processo isotérmico tem-se que: Como na ausência de Reações químicas, dXi =0, a variação de Energia livre na mistura, (infelizmente dissipada sob a forma de calor, fica, restabelecido o equilíbrio, Da Físico-Química, (Ref. 2), as partículas do soluto numa solução obedecem à equação (Van´t Hoff, 1885): pV=nRT onde p é a pressão osmótica, R a Constante Universal dos Gases e n é o número de moles do soluto na solução.

30. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Da matemática, a função ln (1+x) pode ser escrita, para valores muito menores que 1 como : ln (1+x)  x, x<<1 Da Química “Em soluções eletrolíticas o soluto está dissociado em seus íons”. Assim, por exemplo, uma solução 0,01 molar de NaCl contém 0,02M de partículas (moles) (i.e., 0,01M de Na+ e 0,01M de Cl- ). Isto posto, considere-se uma massa d’água doce de volume V1 que é misturada numa massa muito maior d’água salgada de volume V2, concentração C2, V1/V2<<1, ambas as massas numa temperatura T. Vale lembrar que n, o número de partículas do soluto pode ser escrito, n=C2V2

31. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Então a energia W liberada na mistura daquelas águas pode ser escrita (restabelecido o equilíbrio) usando a equação: É interessante observar que o problema pode ser, modus in rebus, imaginado como uma “expansão” das partículas do soluto que no início ocupavam um volume V2 e no final passaram a ocupar um volume V1 + V2. O sinal menos mostra que tal energia sai do sistema (calor cedido, convenção clássica na Termodinâmica). Assim, multiplicando-se e dividindo-se o integrando por V,

32. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE e lembrando que pV = nRT onde n, R e T são constantes durante o processo. Então: Como V1/V2<<1, podemos escrever: e a energia liberada fica:

33. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Daí a potência pode ser inferida ( ), onde é a vazão volumétrica da água doce. Suponha-se então que 1m3/sec de água se mistura com uma imensa massa de água salgada de salinidade de (leia-se 35 partes por mil) ambas a 20ºC. Então a potência dissipada no processo pode ser estimada e a partir da equação:

34. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Embora a concentração C2 possa ser medida com precisão, é possível estimá-la considerando-se o Cloreto de Sódio o único sal presente. Assim, tomando-se 1,02g/cm3 para a densidade da solução, e como significam que em 1kg da solução existem 35g de NaCl de Massa Molecular, 23 + 35,5 = 58,5g/mol, então tal solução tem a molaridade de (35g/kg x 1,02kg/l)/58,5g/mol = 0,61 mol/l. Porém, como (mencionado anteriormente), existem 0,61 x 2 mol/l de partículas, i.e., 1,22 mol/l (0,61 M de Na+ e 0,61 M de Cl -). Daí, tomando-se C2 = 1,22mol/l encontra-se W = 2,97 Megawatts liberados para cada m3/sec de água doce que se mistura na solução de NaCl de ambos à 20°C. Por outro lado sabe-se que a pressão osmótica medida da água do mar a 20ºC é de 24,52atm (o uso da concentração estimada a cima na equação pV=nRT forneceria p = 1,22 mol/l x 0,08205 atm-l/molK x 293K x 29,33 atm) o que corresponde a uma concentração efetiva de 1,019mol/l. Isto equivale a dizer que a água do mar se comporta osmoticamente como se contivesse cerca de 1 mol de partículas por litro.

35. RIOS VAZÃO (m3/seg) POTÊNCIA (Gw) Totalidade dos rios 1,1 x 106 2600 Amazonas 2,0 x 105 470 La Plata-Paraná 8,0 x 104 190 Congo 5,7 x 104 130 Yangtse 2,2 x 104 52 Ganges 2,0 x 104 47 Mississipi 1,8 x 104 42 O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE A Tabela abaixo mostra a vazão dos principais rios do mundo e seu potencial energético sob o presente ponto de vista: Tabela - Potencial Osmótico dos Rios.

36. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Esse surpreendente potencial energético (aliás o segundo maior do Oceano, só perdendo para o Gradiente Térmico) é baseado no fenômeno da Osmose, cujo mecanismo foi observado à partir do final do século XVIII. A Osmose é uma propriedade das soluções que se relaciona com a difusão das moléculas do solvente (aqui a água) através de uma barreira que não permite a passagem fácil das partículas do soluto. Barreiras permeáveis à uma substância mas não à outra são chamadas de semipermeáveis. Vale mencionar que todas as membranas envolvendo as células dos organismos vivos exibem permeabilidade à água (tanto àquela do próprio corpo como em relação àquela do meio externo). A água, assim, atravessa a membrana em ambas as direções, mas o fluxo líquido é do lado da solução mais diluída (em soluto) para a solução mais concentrada (em soluto). Assim o volume da solução que tem mais soluto aumenta. Esta direção “líquida” do escoamento concorda com a tendência natural das moléculas de sofrerem difusão de uma região de mais alta para uma região de mais baixa concentração (aqui, do solvente).

37. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Por exemplo, considere-se o solvente puro separado de uma solução por uma membrana semipermeável como sugerido na próxima figura. O solvente atravessa a membrana entrando no compartimento da solução e fazendo subir o nível da solução no tubo à esquerda até que a pressão hidrostática da coluna de solução diluída no lado esquerdo seja suficiente para equilibrar a pressão de difusão das moléculas do solvente passando para a solução através da membrana (claro que também existe uma pequena migração do solvente da solução para o compartimento do solvente, apenas o efeito global é do lado do solvente para o lado da solução). A pressão hidrostática no equilíbrio, isto é, quando as moléculas do solvente estão passando através da membrana em ambas as direções em fluxos iguais, é a pressão osmótica p, da solução. Para se medir a pressão osmótica não é necessário esperar-se o equilíbrio. Basta aplicar uma pressão hidrostática com um êmbolo no tubo do lado da solução. A pressão necessária para evitar o escoamento para o compartimento da solução é a pressão da solução, como já mencionado

38. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE A expressão para a determinação da pressão osmótica já foi dada (pV=nRT). Como se vê ela depende do número de partículas do soluto (e se são íons ou moléculas) por unidade de volume. A equação também pode ser escrita: onde M é concentração molar total das partículas do soluto, R a constante universal dos gases, R = 0,08205 atm-l/molK e T a temperatura absoluta em graus Kelvin.

39. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Osmose e Pressão Osmótica.

40. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE A descrição do fenômeno da osmose já sugere de por si uma possível técnica de dessalinização (aliás já empregada) conhecida como osmose reversa, que consiste na aplicação de uma pressão superior à pressão osmótica (que no caso água pura/água do mar é de 24,52 atm aos 20°C) forçando as moléculas do solvente na solução a migrarem em maioria para o lado do solvente puro. E mais, é simples imaginar um esquema onde seria possível retirar-se energia da osmose propriamente dita: Esta idéia existe e ela consistiria em separar numa tubulação a água doce de um rio de uma coluna de água do oceano através de uma membrana semipermeável. Se essa coluna tiver 248,52m de altura, nada acontece, pois isso corresponde à 24,52atm (ambas águas a 20ºC e a água salgada assumida com densidade de1,02g/cm3) que é a pressão osmótica. Entretanto, se a coluna de água salgada tiver, por exemplo, 100m então a água doce passará através da membrana para a água salgada, fazendo-a subir até 248,53m. Esses 248,53m poderão transbordar e em sua queda acionar uma turbina, gerando energia.

41. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.3 - GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Geração de Energia - Osmose. Existem outras técnicas para aproveitarmos os gradientes de salinidade entre os oceanos e os corpos de água doce, que não discutiremos aqui pela falta de tempo. Tais são os casos da bombas osmóticas e das baterias dialíticas (entre as quais a célula de concentração eletroquímica.

42. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.4 - A ENERGIA DAS MARÉS Como sugerido no início, apenas 2,7 x 106 MW correspondem ao potencial energético das marés (cabendo somente 1,8 x 106 MW às Marés Oceânicas), um valor baixo para uma fonte que é explorada na Europa desde o século XI (para uso em moinhos, bombas e serrarias) e que, ainda hoje, é a única energia do mar efetivamente utilizada (sob o ponto de vista industrial), como é o caso da usina de Rance (França) com 240MWe, e as das baías Kislaya e Lumbovskii (ex-URSS), a última de 320MWe, além de estudos e projetos envolvendo, no Canadá, (baía Copequid) uma usina maremotriz de 2500MWe e nos EUA (Passamaquoddy), de 1000MWe. De fato, a maré é um fenômeno muito bem estudado e de previsão bastante precisa.

43. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.4 - A ENERGIA DAS MARÉS Como se sabe, ela consiste no movimento de elevação e abaixamento da superfície do mar, assinalável principalmente junto à costa: o nível se eleva durante cerca de 6,21 horas até um máximo – a preamar – baixando em seguida, após uma pequena pausa, durante aproximadamente 6,21 horas, até um mínimo – a baixa-mar – o fenômeno se repetindo sempre (aliás isto não é em todos os lugares há pontos onde o evento não é diuturno). A influência da Lua (diária) se torna óbvia ao se notar que o duplo período (2 x 6,21 x 2), 24,84 hr coincide com o tempo de uma rotação (período) da Lua em torno da Terra. Além disso, é fácil se verificar que a preamar ocorre (como também a baixa-mar) pouco depois da passagem meridiana da Lua (maior altura atingida pela Lua no céu). Mas se a dupla pulsação diária mantém seu ritmo bem aproximadamente, a amplitude varia num ciclo ligado às fases da Lua: As maiores amplitudes ocorrem alguns dias após a Lua Nova (quando o Sol e a Lua estão alinhados com a Terra); a seguir as amplitudes vão diminuindo até passar por um mínimo, que ocorre alguns dias após o Quarto Crescente (Sol e Lua a 90º), sobem de novo até Lua Cheia (Sol e Lua novamente alinhados com a Terra), para depois caírem até o Quarto Minguante, o ciclo todo ocorrendo em 29,54 dias (i.e., o mês lunar). No decorrer do ano as amplitudes máximas atingem seus maiores valores quando o Sol e a Lua estão mais próximos da Terra.

44. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.4 - A ENERGIA DAS MARÉS Marés - Variação semidiurna.

45. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.4 - A ENERGIA DAS MARÉS Marés - Variação Mensal.

46. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.4 - A ENERGIA DAS MARÉS Acontece que a maré varia de maneira muito mais espetacular dependendo da localidade. Assim é que tem-se, entre outros: [1]Nas Tábuas de Marés brasileiras a amplitude citada pode ser considerada como a média das máximas (Ref. 1).

47. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.4 - A ENERGIA DAS MARÉS Apesar da extrema e incessante variação, a maré, num dado local, exibe alguma regularidade. Por exemplo, em Itaqui (Maranhão), em 1975, as maiores ascenções (em 6h 12min) ocorreram antes das preamares, de 07:00hs às 09:00hs e de 19:00hs às 21:00hs, de mais de 4,6m até 7,3m, e as maiores descidas (em 6h 12min), da mesma ordem de grandeza, antes das baixa-mares, de 01:00hs às 03:00hs e de 13:00hs às 15:00hs – Como não existem grandes diferenças de um ano para outro pode-se assim saber, a priori, os horários de máxima produção de uma usina maremotriz (não regulada). Sabe-se também a proporção em que ocorrem as ascenções e descidas. Vale mencionar que, para os cálculos, admite-se que 60% das marés têm amplitude média, 20% delas têm amplitude igual a 1,36 vezes a média e 20% amplitudes iguais a 0,67 da media. A técnica de retirada de energia das marés mais empregada é aquela do aproveitamento dos desníveis obtidos represando-se a maré em estuários ou baías de entrada estreita. A potência é então função da área represada e do quadrado da amplitude: o trabalho T, realizado pela maré durante o ciclo preamar-baixa-mar, é o produto de peso P da água levantada e abaixada pela maré, pela altura a correspondente à elevação do centro de gravidade dessa massa d’água.

48. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.4 - A ENERGIA DAS MARÉS É possível naturalmente explorar-se a maré por exemplo, através do uso de um flutuante – que sobe e desce com ela - produzindo o trabalho mecânico. Outro modo: Fazer as correntes da maré acionarem reatores (vale lembrar que a entumescência conhecida como maré é o produto da convergência de correntes chamadas “de maré”. A usina maremotriz de Rance, próxima a Saint-Malo, na Mancha, desde 1966 fornece 544 x 106kWh por ano à Eletricité de France, operando com rendimento global de 25%, ilustra bem o conceito geral de exploração desse potencial energético.

49. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.4 - A ENERGIA DAS MARÉS Finalmente é interessante mostrar o balanço anual de Rance: Correspondendo a uma potência média de:

50. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA 1.5 - ENERGIA DAS ONDAS Embora usada há anos na alimentação de bóias (onde o ar comprimido por pistões acionados pelo movimento da bóia alimenta um pequeno turbo gerador) apenas na ultima década verificou-se um esforço no sentido de se explorar a ENERGIA DAS ONDAS em maior escala, o que vem sendo feito principalmente pela Inglaterra, Japão e E.U.A., seguidos pelo Canadá e Irlanda. As técnicas envolvidas são, ou uma ampliação dos processos usados nas bóias de navegação, com engenho sas variações, ou a exploração do movimento de translação das ondas. Em 1978 a Agência Internacional de Energia (IEA), autorizou, por sugestão do Governo do Japão, um estudo global da conversão pneumática da energia das ondas (Projeto Kaimei) no Mar do Japão O Departamento de Energia dos E.U.A. (DOE) mantém dezenas de projetos sobre o assunto em seus mais variados aspectos, desde o levantamento do potencial das ondas nas costas da Califórnia, Oregon e Washington, como no desenvolvimento de Metodologia para avaliar sistemas de conversão de energia das ondas sob o ponto de vista de custo x benefício. É interessante notar que as ondas do mar, como a luz e outras ondas eletromagnéticas, podem ser focalizadas, refratadas, concentradas, sintonizadas, etc.