IIGeracao I - Geracao Hidroeletrica

5/26/2018 IIGeracao I - Geracao Hidroeletrica

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ProfaRuth P.S. Leo Email: [email protected] HP: www.dee.ufc.br/~rleao

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Captulo 2 Tecnologias de Gerao de Energia Eltrica:Gerao Hidroeltrica

2.1 Introduo

2.2 Diagrama Eltrico de uma Usina de Energia Eltrica

2.3 Demanda de um Sistema Eltrico

2.4 Classificao das Usinas de Gerao

2.5 Localizao das Usinas de Gerao

2.6 Usinas de Gerao de Energia Eltrica2.6.1 Converso Hidroeltrica

2.6.1.1 Turbinas Hidrulicas

2.6.1.2 Esquema de uma Usina Hidreltrica

2.6.1.3 Usinas de Armazenamento por Bombeamento

2.6.1.4 Preservao do Ecossistema

2.6.1.5 Vantagens e Desvantagens das Usinas Hidreltricas


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2.1 Introduo

Energia a capacidade de realizar trabalho.

O grau de desenvolvimento de um pas medido pelos indicadores:

! Produto Interno Bruto - PIB per capita (US$/hab)! Oferta Interna de Energia - OIE per capita (tep1/hab)! Intensidade energtica do pas expressa pela relao OIE/PIB

(tep/US$) e,! Intensidade eltrica expressa pela relao OIEE/PIB (OIEE - oferta

interna de energia eltrica) (kWh/US$).

Por muito tempo o consumo per capita de eletricidade foi usado comoindicador do grau de desenvolvimento dos pases. Atualmente, medidaque aumenta a conscientizao da importncia do uso racional e daconservao de energia, o grau de desenvolvimento indicado pelocrescimento no produto interno bruto do pas e uma estabilizao oucrescimento proporcionalmente menor nos indicadores de intensidadeenergtica e intensidade eltrica.

A gerao de energia eltrica consiste no processo de transformao dediferentes fontes de energia primrias e secundrias em energia eltrica.

Figura 2.1 Converso em energia eltrica.

A Tabela 2.1 apresenta um quadro das principais fontes primrias esecundrias, exaurveis e renovveis, convencionais e alternativas, paragerao de energia eltrica.

1 tEP tonelada equivalente de petrleo a unidade comum na qual se convertem as unidades demedida das diferentes formas de energia utilizadas no BEN. Os fatores de converso socalculados com base no poder calorfico superior de cada energtico em relao ao do petrleo.Adotada no Balano Energtico Nacional e em diversas outras publicaes internacionais, um tepcorresponde a 10.000 Mcal, (1kWh = 860 kcal). Quando se quer a contabilizao da energia emtoneladas equivalentes de petrleo (tep), calculam-se os fatores de converso pela relao entre opoder calorfico de cada fonte e o poder calorfico do petrleo adotado como referncia.


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Tabela 2.1 Fontes Primrias e Secundrias para Gerao de Energia Eltrica.

(Fontes Primrias)FONTES RENOVVEIS FONTES NO

RENOVVEIS

(Fontes Secundrias)

CONVENCIONAL ALTERNATIVAEXAURIVEL

CARVO MINERAL (F)

LEO (F)

GS NATURAL (F)

URNIO (U3O8) - FISSO NUCLEAR (F)

XISTO (F)

URNIO (U3O8) - FUSO NUCLEAR (F)

RENOV

VEL

BIOENERGIA (SI) ANIMAL EVEGETAL

HIDRULICA (SI)

GEOTRMICA (G)SOLAR FOTOVOLTAICA (S)ELICA (SI)HIDROGNIO (SI)MAR (G)ONDAS (SI)CALOR DOS OCEANOS (SI)CORRENTE DOS OCEANOS (SI)

F:Fssil G:Gravitacional S:Solar SI: Solar Indireta

Define-se como fonte de energia no renovvel aquela cuja velocidadede reposio natural inferior velocidade de sua utilizao pela

Biomassa

GravitacionalGeotrmica Solar Nuclear

Oceanos Elica Hidrulica

Madeira

Cana de acar

Resduos agrcolas

Carvo vegetal

Biogs

Fossil

Petrleo

Gs Natural

Carvo

Xisto

Turfa

leos vegetais


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humanidade. Apresenta, portanto, uma caracterstica exaurvel (finita),de utilizao. Citam-se como exemplo o carvo mineral e seusderivados, o petrleo e derivados, o gs natural, xisto, turfa, e o urnio.

As fontes no renovveis so resultados de um processo que levamilhes de anos para converter luz do sol em hidrocarbonetos.

Define-se como fonte de energia renovvel aquela cuja velocidade dereposio natural superior velocidade de sua utilizao, tendo,portanto, uma caracterstica de utilizao infinita. As fontes geotmica,gravitacional e solar constituem a base das fontes renovveis de energia.Cita-se como exemplo de fontes renovveis a energia solar, hidrulica,elica, dos oceanos (onda, mar e correntes martimas), o carvovegetal quando renovados por aes de reflorestamento, a biomassa(lenha, resduos agrcola), biocombustvel (etanol, biodiesel e leos

vegetais), biogs, energia geotrmica, etc. Tais fontes renovveisconvertem radiao solar, a rotao da terra e a energia geotrmica emenergia usvel em um menor tempo.

O sistema global de energia atual depende principalmente dehidrocarbonetos como leo, gs e carvo, os quais juntos compreendemaproximadamente 81% dos recursos energticos. A tradicional biomassa

como madeira e esterco participa com 10% e nuclear com 6%,enquanto todas as fontes renovveis contribuem com apenas 3%.


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Figura 2.2 Sistema Global Atual de Energia.

A trajetria de uso dos recursos energticos mostrada na Figura 2.3, aqual pode ser dividida em diferentes eras, desde a predominncia damadeira, passando ao carvo, aos derivados de petrleo, em direo auma menor predominncia do carbono atravs do gs natural e fontesno fsseis.

Figura 2.3 Transio do uso de fontes primrias no perodo 1850-2050 (Fonte: Energie Transitions ShellWindEnergie - 2003)


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Estima-se que em 2050 acima de 60% da eletricidade ser gerada porfontes renovveis.

Figura 2.4 Consumo Final de Energia Eltrica [Shell Energy Blueprint Scenarios to 2050.].

A energia hidrulica praticamente destinada produo de energiaeltrica, assim como parcela expressiva dos combustveis fsseis comocarvo e urnio, e derivados agrcolas.

As fontes fsseis, nuclearehidrulicaso capazes de produzir grandesquantidades de energia eltrica. Muitos sistemas eltricos contm umacombinao desses trs tipos principais de gerao.

Os processos de transformao para gerao de energia eltrica podemusar quaisquer das fontes apresentadas na Tabela 2.1, exaurveis erenovveis, como ilustra as Figuras 2.5 e 2.6. No entanto, grande nfasetem sido dada ao emprego de fontes renovveis por constiturem a formade energia mais limpa, de menor impacto ambiental decorrente doprocesso de transformao. As fontes renovveis so aquelas que socontinuamente disponveis e sustentveis ao meio ambiente. Em

particular, os combustveis renovveis no emitem gases de efeito estufaou so emissores neutros ao longo do ciclo de vida.

1kWh=3,6MJ

EJ=1018J


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Figura 2.5 Converso de Fontes No-Renovveis em Energia Eltrica.

Figura 2.6 Converso de Fontes Renovveis em Energia Eltrica.

Alguns fatores contribuem para o sucesso no desenvolvimento dasfontes renovveis, tais como:

! Fator poltico definio de polticas, suporte e incentivogovernamental para implantao de fontes renovveis.


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! Fator legislativo criao de leis para garantia de mercado e preospara as fontes de energias renovveis.

! Fator fiscal definio de recompensa financeira por incentivo ouiseno de taxas e impostos.

! Fator financeiro estmulo a emprstimos com taxa de jurossubsidiada, emprstimos de longo prazo, com carncia longa e combaixas taxas de juros como forma de incentivar e alavancar projetosna rea de energia renovveis.

! Fator administrativo conscientizao da populao para informaoe aceitao das novas formas de produo de energia eltrica, complanejamento de alocao das novas fontes.

! Fator de desenvolvimento de tecnologia domnio e manufatura deindstria de equipamentos voltados explorao da fonte renovvel.

Na gerao de energia limpa, a situao do Brasil avanada. Cerca de45,4% da oferta interna de energia no pas proveniente de fontesrenovveis ante 13,3% da matriz mundial.

Figura 2.7 Participao de fontes renovveis na oferta interna de energia [BEN 2011]

O Brasil emitiu em 2008 em torno de 1,47 tonelada de gs carbnico por

tonelada equivalente de petrleo. A mdia mundial de 2,4 toneladas degs carbnico por tonelada equivalente de petrleo [BEN 2011].


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(a)(b)

Figura 2.8 Emisses de CO2(a) Comparao internacional (ano base 2008). (b) Srie Histrica noBrasil [Fonte: BEN 2011 Resultados Preliminares].

Devido crescente eficincia das usinas convencionais e a permanentequeda nos preos do petrleo, o argumento para promover o uso daenergia renovvel no dever estar pautado na falta de petrleo nosculo 21, porm, no efeito agressor que a queima de combustvel fssilproduzir sobre o meio ambiente. As fontes de energias renovveis eresiduais so consideradas como fontes de energia verde porapresentarem baixa emisso de poluentes no ar quando comparadas soutras fontes energticas.

2.2 Diagrama Eltrico de uma Usina de Energia Eltrica

As grandes usinas de gerao de energia eltrica representam a porodo sistema eltrico de maior investimento de capital. Medidas devem sertomadas no sentido de garantir confiabilidade e flexibilidade de operaoa fim de minimizar as falhas e tempo fora de servio.


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Figura 2.9 Esquema Unifilar de Usina de Gerao.

Um diagrama unifilar de usina tpica de gerao de energia eltrica estmostrado na Figura 2.9. Para o esquema apresentado tem-se:

1. Gerador ligado em Y aterrado atravs de resistor ou reator (de

preferncia pela no dissipao de calor) para limitao da corrente decurto-circuito envolvendo o terra.

2. Cabos de conexo ligados diretamente aos transformadores depotncia e de servios. As fases so conduzidas separadamente emdutos com ventilao forada. A probabilidade de curto-circuito entre

"- Y


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fases remota, sendo, no entanto possvel o curto circuito fase-terraatravs do contato da fase carcaa aterrada do duto.

3. Transformador de Potncia ligado em "-Y com vantagens do tipo:

a) Isola o lado do sistema da gerao, de modo que na eventualidadede ocorrncia de curto-circuito fase-terra no lado do sistema, ascorrentes de curto de sequncia zero no circularo nas linhas nolado ".

b) Embora a bobina do enrolamento em "esteja submetida tensode linha, a tenso de gerao baixa em relao tenso detransmisso.

c) Cada espira do enrolamento " estar submetida a um valor detenso #3 vezes maior do que o enrolamento equivalente em Y.Para que o esforo sobre a espira em " seja equivalente ao dabobina em Y equivalente necessrio aumentar o nmero deespiras do enrolamento "de #3 vezes o nmero inicial de espiras.

NY$VANN"$VAB=#3VAN

Y

Y

N3N3N

N=!= "

" (2.1)

d) O lado em alta tenso est ligado em Y fazendo com que o esforosobre o enrolamento esteja reduzido de #3.

e) Esta ligao "-Y a que apresenta as melhores vantagenseltricas e econmicas.

4. Transformador de Servio so ligados em Y-Y ou "-Y. Alimentam ascargas auxiliares da usina como bombas, ventiladores, servomecanismodos geradores, compressores, etc. A continuidade na alimentaodessas cargas de vital importncia para o funcionamento dosgeradores, da essas cargas serem alimentadas atravs de dois trafos deservios. Na eventualidade de defeito, o disjuntor de transfernciaexecuta a transferncia de cargas para o trafo em operao.


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5. Linha de Transmisso ligada em Y aterrado em seus terminaistransmissor e receptor.

6. Transformador de Partida no primeiro momento em que a usina posta para funcionar, as cargas auxiliares so alimentadas viatransformador de partida que recebe alimentao das linhas detransmisso. Na partida, os disjuntores na sada do transformador depotncia so abertos assim como so desligados os trafos de servio. Aoatingir o gerador a velocidade sncrona e a tenso do barramento detransmisso, feito o batimento do gerador para entrada no sistema, aomesmo tempo em que os disjuntores do trafo de potncia so fechados eos trafos de servios postos em operao. O transformador de partida retirado de servio aps a entrada do gerador. Em caso de problema de

fornecimento eltrico pela concessionria para a partida inicial da plantapodem-se instalar grupos motogeradores a diesel que garantam apartida.

2.3 Demanda de um Sistema Eltrico

A finalidade de um sistema eltrico gerar e fornecer energia aoconsumidor de maneira confivel, segura,e econmica.

A quantidade de gerao necessria para atender demanda diria,semanal e anual requer uma avaliao do comportamento da carga dosistema.

Para determinar o nvel de gerao que atenda ao suprimento, devem-seconsiderar os seguintes aspectos:

! Em qualquer ocasio no tempo, a quantidade de gerao deve serexatamente igual cargados consumidores acrescida dasperdasdo

sistema.! A carga do consumidor varia continuamente, dependendo da hora dodia, do dia da semana e da estao do ano.


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Figura 2.10 Curva de Carga Semanal

O pico de carga ocorre no intervalo entre 17 e 20 h, perodo em quecoincidem as atividades de centros industrial e comercial com o aumentoda atividade domstica.

Figura 2.11 Curva de Demanda Anual.

A curva de demanda anual apresenta as seguintes caractersticas:

! H uma carga bsica que no muda independentemente de variaesde horrio ou dia da semana.


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! As variaes intermedirias e de pico resultam das contnuasmudanas do comportamento do consumo de energia.

Figura 2.12 Curva de Durao da Carga Anual.

2.4 Classificao das Usinas de Gerao

As trs categorias de demanda de energia, base, intermediria e pico,definem trs tipos de usinas de gerao:

! Usina de Potncia de Base: gera continuamente a plena carga.

Ex.: Usina Nuclear, Usina Trmica Carvo e Hidrulica.

! Usina de Potncia Intermediria: responde relativamente rpida smudanas de demanda, em geral, pela adio ou retirada deunidades geradoras.

Ex.: Usinas Hidrulicas

! Usinas de Ponta

So colocadas em operao em perodos de demanda alta.


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Entregam potncia durante pequenos intervalos durante o dia.

So usinas de custo elevado porque permanecem na maior partedo tempo paradas.

Ex.: Usinas de armazenamento por bombeamento ou usinasreversveis, geradores a diesel, turbinas a gs.

2.5 Localizao das Usinas de Gerao

A localizao fsica das usinas de gerao deve ser cuidadosamenteplanejada:

! Prxima fonte primria de energia, e uso de linhas de transmissopara o transporte da energia.

Ex.: Minas de carvo; cachoeiras, rios.

! Prxima ao centro de carga, com transporte do recurso energticoprimrio at a usina de gerao.

Ex.: Transporte de carvo, urnio, petrleo e gs por navio, trem ou

dutos.Aps o esgotamento dos recursos hidreltricos de maior porte dasregies sudeste e nordeste do Brasil, o atendimento demanda dessasregies estar baseado em hidreltricas de menor porte, usinas trmicase elicas, e no aproveitamento do potencial hidreltrico da regioamaznica e centro-oeste do Brasil.

A Tabela 2.2 apresenta um quadro comparativo entre formas de geraoeltrica com diferentes tecnologias eletromecnicas: hidro, trmica e

nuclear.


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Tabela 2.2 Comparao entre formas convencionais de gerao eltrica

2.6 Usinas de Gerao de Energia Eltrica

A produo de energia eltrica caracterizada por processos do tipo:eletromecnico, fotovoltaico e qumico.

O processo de converso eletromecnico inclui:! Hidrulico! Trmico! Elico! Maremotriz

2.6.1 Converso HidroeltricaNo Brasil a hidroeletricidade predominante na matriz de energiaeltrica do pas.


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Figura 2.13 Gerao de energia eltrica por fonte no Brasil [Fonte: International Energy Outlook 2010].

A converso hidroeltrica utiliza o movimento e queda dgua de riospara gerao de energia eltrica.

Converso Hidroeltrica

Energia Cintica Energia Mecnica Energia EltricaTurbina Gerador

! !

A energia eltrica em uma usina hidroeltrica gerada pela passagemda gua atravs de uma turbina, acoplada a um gerador sncrono deplos salientes, formando o conjunto turbogerador. O conjunto, turbina-gerador gira a velocidades relativamente baixas, de 50 a 300 rpm,quando comparadas s turbinas a vapor. O eixo da turbina estdiretamente ligado ao eixo do rotor do gerador.


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Figura 2.14 Turbina Hidrulica acoplada a Gerador.

O nmero de par de plos dos geradores relativamente grande:

p

f120n = (2.1)

n $velocidade angular em rpmf $freqncia em Hzp $nmero de plos

A quantidade de energia produzida proporcional :! Vazo da gua! Altura do nvel do reservatrio

P = %.Q.H.g.&(kW) (2.2)

P $potncia em kW% $densidade da gua em kg/m3Q $vazo da gua em m3/sH $altura da coluna dgua em mg $acelerao da gravidade m/s2& $rendimento do sistema p.u.

As principais causas de perda de energia nas turbinas so:


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! Perdas hidrulicas: a gua tem que deixar a turbina com algumavelocidade, e esta quantidade de energia cintica no pode seraproveitada pela turbina.

! Perdas mecnicas: so originadas por atrito nas partes mveis da

turbina e calor perdido pelo aquecimento dos mancais.Tipicamente turbinas modernas tm uma eficincia entre 85% e 95%,que varia conforme a vazo de gua e a queda lquida.

A classificao de usinas quanto capacidade de produo apresentada na Tabela 2.3.

Tabela 2.3 Classificao de Usinas Hidreltricas Quanto Potncia

Tipo de Usina Hidreltrica Potncia Instalada P (MW)

Micro Central P '0,1

Mini Central 0,1< P '1

Pequena Central (PCH) 1< P '30

Mdia Central 30< P '100

Grande Central P > 100

As turbinas hidrulicas podem ser montadas com o eixo turbina-geradorno sentido vertical. Um mancal de escora suporta todo o peso das partesgirantes da turbina e do gerador que montado logo acima dela. EmPCH (Pequena Central Hidreltrica) turbinas so fabricadas em geralcom eixo na horizontal.

Figura 2.15 PCH com turbina tipo Francis eixo horizontal.


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Em todos os tipos de turbo-geradores h alguns princpios defuncionamento comuns. A gua entra pela tomada de gua, a montanteda usina hidreltrica que est num nvel mais elevado, e levada atravsde um conduto forado at a entrada da turbina. L a gua passa por umsistema de palhetas guias mveis, que controlam a vazo volumtricafornecida turbina. Para se aumentar a potncia as palhetas se abrem,para diminuir a potncia elas se fecham. Aps passar por estemecanismo a gua chega ao rotor da turbina.

Figura 2.16 Esquema de uma usina hidreltrica.

Por transferncia de quantidade de movimento parte da energiapotencial do fluido transferido para o rotor na forma de torque evelocidade de rotao. Devido a isto a gua na sada da turbina est auma presso pouco menor que a atmosfrica, e bem menor do que ainicial.

Aps passar pelo rotor, um duto chamado tubo de suco, conduz agua at a parte de jusante do rio, no nvel mais baixo. As turbinasPelton, tm um princpio um pouco diferente (impulso), pois apressoprimeiro transformada em energia cintica, em um bocal, onde o fluxode gua acelerado at uma alta velocidade, e em seguida choca-secom as ps da turbina imprimindo-lhe rotao e torque.

2.6.1.1 Turbinas Hidrulicas

A energia eltrica em geral produzida por geradores sncronos movidospor uma mquina primria denominada de turbina hidrulica do tipo


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Pelton, Francis, Kaplan ou Bulbo. Cada um destes tipos de turbinas adaptado para funcionar em usinas, com uma determinada faixa dealtura de queda. As vazes volumtricas podem ser igualmente grandesem qualquer uma delas, mas a potncia ser proporcional ao produto daqueda (H) e da vazo volumtrica (Q).

Figura 2.17 Esquema de turbinas hidrulicas: Pelton, Francis e Kaplan.

Uma turbina constituda basicamente por cinco partes: caixa espiral,pr-distribuidor, distribuidor, rotor e eixo, tubo de suco.


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Figura 2.18 Partes de uma turbina hidrulica.

A.1 Caixa espiral

uma tubulao de forma toroidal que envolve a regio do rotor. Estaparte fica integrada estrutura civil da usina, no sendo possvel serremovida ou modificada. O objetivo distribuir a gua igualmente naentrada da turbina.

fabricada com chapas de ao carbono soldadas em segmentos. Acaixa espiral conecta-se ao conduto forado na seco de entrada, e aopr-distribuidor na seco de sada.

A.2 Pr-distribuidor

A finalidade do pr-distribuidor direcionar a gua para a entrada dodistribuidor. composta de dois anis superiores, entre os quais somontados um conjunto de 18 a 24 palhetas fixas, com perfilhidrodinmico de baixo arrasto, para no gerar perda de carga e noprovocar turbulncia no escoamento. uma parte sem movimento,soldada caixa espiral e fabricada com chapas ou placas de aocarbono.


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Figura 2.19 Entrada e distribuio dgua em turbina hidrulica.

A.3 Distribuidor

O distribuidor composto de uma srie de 18 a 24 palhetas mveis,acionadas por um mecanismo hidrulico montado na tampa da turbina(sem contato com a gua). Todas as palhetas tm o seu movimentoconjugado, isto , todas se movem ao mesmo tempo e de maneira igual.

O acionamento feito por um ou dois pistes hidrulicos que operamnuma faixa de presso de 20 bar nas mais antigas, at 140 bar nosmodelos mais novos.

O distribuidor controla a potncia da turbina, pois regula vazo da gua. um sistema que pode ser operado manualmente ou em modoautomtico, tornando o controle da turbina praticamente isento deinterferncia do operador.

A.4 Rotor e eixo

O rotor da turbina onde ocorre a converso de energia hdrica empotncia de eixo.


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A.5 Tubo de suco

Duto de sada da gua, geralmente com dimetro final maior que oinicial, desacelera o fluxo da gua aps esta ter passado pela turbina,devolvendo-a ao rio parte jusante da casa de fora.

As turbinas hidrulicas podem ser classificadas como:

! Turbinas de Ao (ou impulso): aquela em que o trabalho mecnico obtido pela obteno da energia cintica da gua em escoamentoatravs do rotor. As turbinas de ao so as do tipo Pelton.

! Turbinas de Reao (ou propulso): so turbinas em que o trabalhomecnico obtido pela transformao das energias cinticas e depresso da gua em escoamento atravs do rotor. As turbinas de

reao so as do tipo Francis e Kaplan.B.1 Turbinas Pelton

So turbinas de ao porque utilizam a velocidade do fluxo de gua paraprovocar o movimento de rotao. A sua constituio fsica consistenuma roda circular que na sua periferia possui um conjunto de copos ouconchas sobre os quais incide(m), tangencialmente, um(s) jato(s) degua dirigido(s) por um ou mais injetores distribudos de forma uniformena periferia da roda. Nas turbinas Pelton, no h um sistema de palhetas

mveis, e sim um bocal com uma agulha mvel, semelhante a umavlvula. O controle da vazo feito por este dispositivo. A potnciamecnica fornecida por estas turbinas regulada pela atuao nasvlvulas de agulha dos injetores.


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Figura 2.20 Turbina Pelton em esquema.

Dependendo da potncia que se queira gerar podem ser acionados os 6

bocais simultaneamente, ou apenas cinco, quatro, etc. O nmero normalde bocais varia de dois a seis, igualmente espaados angularmente paragarantir um balanceamento dinmico do rotor. Estas turbinas podem serde eixo vertical ou horizontal e so utilizadas em aproveitamentoshidreltricos caracterizados por pequenos caudais e elevadas quedasteis (250 a 2500 m), sendo por isto, muito mais comuns em pasesmontanhosos.

Um dos maiores problemas destas turbinas, devido alta velocidadecom que a gua se choca com o rotor, a eroso provocada pelo efeitoabrasivo da areia misturada com a gua, comum em rios de montanhas.

As turbinas Pelton, devido a possibilidade de acionamento independentenos diferentes bocais, tem uma curva geral de eficincia plana, que lhegarante boa performance em diversas condies de operao, tendo umrendimento de at 93%.

B.2 Turbinas Francis

So turbinas de reao porque o escoamento na zona da roda se

processa a uma presso inferior presso atmosfrica. Esta turbina caracterizada por ter uma roda formada por uma coroa de aletas fixas,as quais constituem uma srie de canais hidrulicos que recebem a guaradialmente e a orientam para a sada do rotor numa direo axial.


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Figura 2.21 Turbina hidrulica Francis.

A entrada de gua na turbina ocorre simultaneamente por mltiplascomportas de admisso dispostas ao redor da roda, e o trabalho exerce-se sobre todas as aletas ao mesmo tempo para fazer rodar a turbina e ogerador.

Os outros componentes desta turbina so a cmara de entrada, a qualpode ser aberta ou fechada com uma forma espiral, o distribuidorconstitudo por uma roda de aletas fixas ou mveis que regulam o caudale o tubo de sada da gua.

Estas turbinas se utilizam em quedas teis superiores aos 20 metros at400m, e possuem uma grande adaptabilidade a diferentes quedas ecaudais. A usina hidreltrica de Itaipu assim como a usina hidreltrica deTucuru, a grande maioria das usinas do sistema Chesf (excetoSobradinho e Apolnio Sales que usam Kaplan), Furnas e outras noBrasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m dequeda d' gua.

As turbinas Francis, relativamente s Pelton, tm um rendimento mximomais elevado, velocidades maiores e menores dimenses.


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B.3 Turbinas Kaplan e Hlice

So turbinas de reao, adaptadas s quedas baixas e caudais

elevados. So constitudas por uma cmara de entrada que pode seraberta ou fechada, por um distribuidor e por uma rotor com quatro oucinco ps em forma de hlice. Quando estas ps so fixas diz-se que aturbina do tipo Hlice. Se as ps so mveis, o que permite variar ongulo de ataque por meio de um mecanismo de orientao que controlado pelo regulador da turbina, diz-se que a turbina do tipoKaplan.

Figura 2.22 Turbina Kaplan - Palhetas Mveis

As turbinas Kaplan so reguladas atravs da ao do distribuidor e com

auxlio da variao do ngulo de ataque das ps do rotor o que lhesconfere uma grande capacidade de regulao. Um sistema de embolo emanivelas montado dentro do cubo do rotor, responsvel pela variaodo ngulo de inclinao das ps. O leo injetado por um sistema debombeamento localizado fora da turbina. O acionamento das ps acoplado ao das palhetas do distribuidor, de modo que para uma


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determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valorde inclinao das ps do rotor.

As turbinas Kaplan tambm apresentam uma curva de rendimento"plana" garantindo bom rendimento em uma ampla faixa de operao.

As turbinas Kaplan e Hlice tm normalmente o eixo vertical, mas podemexistir turbinas deste tipo com eixo horizontal, as quais se designam porturbinas Bulbo.

B.4 Turbinas Bulbo

Operam em quedas abaixo de 20 m. Foram inventadas na dcada de 30e aplicadas na dcada de 1960, na Frana, para a usina maremotriz deLa Rance e depois desenvolvidas para outras finalidades. Possui aturbina similar a uma turbina Kaplan horizontal, porm devido baixaqueda, o gerador hidrulico encontra-se em um bulbo por onde a guaflui ao seu redor antes de chegar s ps da Turbina.

No Brasil as Usinas de Santo Antnio e Jirau, a fio dgua, emconstruo no rio Madeira (Rondnia), constam no projeto de cada usinaa instalao de 44 turbinas do tipo Bulbo com potncia unitria igual a 73MW e 75 MW, respectivamente. As turbinas a serem instaladas nestasusinas passaro a ser as maiores turbinas bulbo do mundo.

Figura 2.23 Esquema da usina Santo Antnio.


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O uso de turbinas de bulbo no Rio Madeira, devido variao develocidade do rio entre o perodo cheio e seco pode incorrer emproblema de estabilidade eltrica, que pode ser resolvido pelo uso decorrente contnua na transmisso da energia a longa distncia.

Tipicamente turbinas modernas tm uma eficincia entre 85% e 99%,que varia conforme a vazo de gua e a potncia gerada.

2.6.1.2 Esquema de uma Usina Hidreltrica

Uma planta hidreltrica formada por um conjunto de elementos, dentreos quais destacamos os elementos bsicos mostrados na Figura 2.24.

Figura 2.24 Perfil de Usina Hidreltrica de Represamento.

C.1 Reservatrio

Parte de uma usina hidroeltrica que exige especial ateno peloaspecto energtico e ambiental. Acumula gua por meio de barragemgarantindo uma cota de gua e compensando perodos de estiagem. O


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reservatrio construdo em um nvel mais alto do que a turbine. Oreservatrio de uma planta hidreltrica responsvel for at 30% docusto total de construo.

C.2 Barragem do reservatrio principal e do vertedouro

Pode ser definida como sendo um elemento estrutural, construdatransversalmente direo de escoamento de um curso dgua,destinada criao de um reservatrio artificial de acumulao de guapara determinados fins, criando um desnvel local. A barragem possuicomportas que podem ser abertas para permitir a passagem de gua.

Figura 2.25 Vista area de barragem principal e de vertedouro.

As barragens podem ser classificadas em diferentes tipos, de acordocom o seu objetivo, seu projeto hidrulico e os tipos de materiaisempregados na sua construo:

! Barragem de terra construda com terra compacta, com seestransversais trapezoidais, recoberta por revestimento protetor empedra ou grama.

! Barragem de enrocamento construda com blocos de rocha detamanho varivel e uma membrana impermevel na face demontante. Ex. Barragem de Xing.

! Barragem em arco sua estrutura um arco de concreto.! Barragem mista sua estrutura composta de um ncleo de terra

compactada, revestido com placas de concreto. Ex. Moxot.


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! Barragem de gravidade - estrutura de concreto, enrocamento, oumista, resiste aos vrios esforos para a pior situao decarregamento para cada esforo considerado. Ex. PA III.

C.3 Ensecadeira

Barragem temporria destinada a desviar as guas do curso natural parapermitir a construo da barragem permanente da usina, sendodestruda ou ficando submersa.

C.4 Sistema Extravasor

Projetado e construdo com o objetivo de escoar o excesso dgua

acumulado pelo reservatrio, evitando o risco do nvel dgua atingir acrista da barragem. Faz parte do sistema extravasor: barragemvertedoura, comportas de vertedouro, stop-logs e sistema deacionamento das comportas (em geral, hidrulico).

Figura 2.26 Vista area da Usina de Xing (CHESF) SE/AL.

C.5 Tomada Dgua

Destinada a captar a gua necessria ao funcionamento das turbinashidrulicas. A tomada dgua deve conter dispositivos para eliminar oureter o material slido transportado pela gua que poderiam danificar asturbinas. As tomadas dgua podem ser de superfcie ou afogadas. Fazparte da tomada dgua: adutores (condutos forados), comportas, stoplogse sistema de acionamento.


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C.6 Comportas

Equipamento que permite o controle da vazo de gua em reservatrios,

limpeza de reservatrios, manuteno de equipamentos, tomada dgua,etc.; podem ser de vrios tipos: comporta setor (vertedouro), comportasegmento (tomadas dgua e vertedouros de grande capacidade),comporta gaveta (tomada dgua), comporta ensecadeira (stop-log) ecomporta vago ou plana.

Figura 2.27 Comportas segmento.

C.6 Condutos Forados

Dutos de alta presso, usados no transporte de gua do reservatrio atas turbinas de uma usina hidreltrica. Quanto instalao, pode ser feitaa cu aberto ou enterrados.

C.7 Tubo de suco

Interliga a sada da turbina ao canal de restituio; utiliza comportas aofinal do tubo.

C.8 Canal de restituio

Devolve a gua turbinada ao leito do rio.


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C.9 Cmara de carga

Estrutura que interliga o canal adutor com o conduto forado.

C.10 Canal de aduo

Empregado nas usinas de desvio, canaliza o fluxo de gua desde atomada dgua at o conduto forado.

C.11 Chamin de equilbrio

Estrutura que interliga o conduto de baixa presso com o condutoforado de alta presso e alivia a onda de presso resultante de partidaou parada brusca de carga.

C.12 Casa de Fora

Casa das mquinas: abrigam geradores, turbinas, transformadoreselevadores, e sala de controle.

C.13 Sistema de Superviso e Controle

Sistema digital aberto e distribudo que permite a superviso e controledo sistema a partir de uma interface humana IH amigvel.

C.14 Subestao

Transforma o nvel de tenso de gerao para o nvel de tenso detransmisso.

Dois fenmenos devem ser conhecidos e controlados nas usinashidrulicas: golpe de arete e cavitao.

! Golpe de arete o transitrio hidrulico mximo (onda de presso)que ocorre sempre que a velocidade mdia de escoamento modificada por atuao do dispositivo de controle de vazo.


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! Cavitao fenmeno de mudana de fase da gua quando bolhasde vapor e gases no interior da turbina ao alcanarem regies depresses elevadas retornam fase lquida cujos efeitos sodestrutivos com queda da potncia fornecida e reduo da vida til

da instalao.A Tabela 2.4 lista as 10 maiores centrais hidreltricas do Brasil.

Tabela 2.4 As dez maiores usinas hidreltricas do Brasil.

Usina Rio PotnciaUsina Hidreltrica de Itaipu Rio Paran 14.000 MWUsina Hidreltrica So Luiz doTapajs

Rio Tapajs 8.381 MW (projetada)

Usina Hidreltrica de Tucuru Rio Tocantins 8.370 MWUsina Hidreltrica de Belo Monte Rio Xingu 11.233 MW

Usina Hidreltrica de Ilha Solteira Rio Paran 3.444 MWUsina Hidreltrica de Jirau Rio Madeira 3.300 MW (licitada)Usina Hidreltrica de Xing Rio So Francisco 3.162 MWUsina Hidreltrica Santo Antnio Rio Madeira 3.150 MW (licitada)Usina Hidreltrica Paulo Afonso IV Rio So Francisco 2.462 MWUsina Hidreltrica de Itumbiara Rio Paranaba 2.082 MW

2.6.1.3 Usinas de Armazenamento por Bombeamento

Considere um sistema eltrico com demanda diria que varia entre 100 e160 MW.

Figura 2.28 Curva de demanda de potncia.

As solues alternativas para atender a curva de demanda de carga so:


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1) Instalar uma usina de base de 100 MW e uma unidade de ponta de 60MW, acionada intermitentemente por uma turbina a gs.

2) Instalar uma usina de base de 130 MW e uma estao de pico de 30MW.

A estao de pico deve ser capaz de gerar e absorver 30 MW depotncia.! Durante perodos de carga leve, a estao de pico recebe e armazena

energia da usina de base.! Durante perodos de demanda alta, a estao de ponta retorna a

energia anteriormente armazenada.

Figura 2.29 Curva de demanda de potncia

Vantagens da 2aalternativa:

" A usina de base maior e, portanto mais eficiente." A usina de ponta menor e, portanto de menor custo.

As usinas reversveis so compostas de reservatrios de gua, superior

e inferior os quais so conectados por tubulao forada, e de unidadereversvel turbina-gerador/bomba-motor.

Durante o perodo de ponta do sistema a usina age como uma estaohidreltrica comum. A gua flui, produzindo energia, do reservatriosuperior para o inferior.


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Figura 2.30 Produo de energia por usina reversvel.

Durante os perodos de carga leve o processo revertido: o gerador atuacomo um motor sncrono, acionando a turbina que atua como umaenorme bomba. A gua flui do reservatrio inferior para o superior,armazenando energia para o prximo perodo de ponta.

Figura 2.31 Bombeamento de energia por usina reversvel.

Desta forma, a usina reversvel reduz as pontas e completa os valesno perfil de carga para reduzir efetivamente o custo total de produo dosistema.


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Embora a energia necessria para bombear a gua de volta aoreservatrio superior seja maior do que a energia produzida pela usinareversvel, econmico bombear durante perodos de custo marginal

baixo, (BOMBA, e gerar durante perodos de custo marginal alto, (GEN,desde que:

BOMBAGEN

1!

">! (2.3)

em que & a relao entre os MWh gerados e a carga de bombeamentoem MWh (rendimento do ciclo).

Os geradores das usinas reversveis tm potncia nominal entre 50 e500 MW.

A entrada em operao do motor sncrono provoca grande solicitao nosistema de transmisso. Mtodos especiais de partida so usados paralevar o motor velocidade sncrona como p.ex. conversores estticos defreqncia.

As usinas reversveis operando em conjunto com plantas nuclearesfazem uma atrativa combinao porque as plantas nucleares atingemsua melhor eficincia quando operam sob carga constante.

As usinas reversveis no so consideradas como gerao distribuda.No h, no mundo, usinas reversveis suficientemente pequenas tais quesejam localizadas no sistema de distribuio de energia eltrica.

As desvantagens das usinas reversveis so:! Alto custo de capital! Alto custo de operao (perda de trajeto de ida e volta at 25%)

! necessria uma grande diferena entre preo de energia de picoe fora de pico para justificar o armazenamento por bombeamento.

Em virtude do preo atrativo do gs natural e o avano na tecnologia deturbinas a gs (incluindo plantas em ciclo combinado), no fcil

justificar um projeto de armazenamento de gua por bombeamento nomercado de energia competitivo ou no.


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2.6.1.4 Preservao do Ecosistema

Uma das fases fundamentais da instalao de uma usina hidreltrica aformao do reservatrio de gua. Na construo do reservatrio umarea geogrfica deve ser inundada, o que causa profundas alteraes noecossistema da regio.

Normalmente o local da represa escolhido de modo a causar ummnimo de efeitos negativos. Entretanto alguns danos ambientais soinevitveis, sobretudo pela extenso do territrio inundado.

A Tabela 2.5 apresenta informaes a respeito de algumas usinashidreltricas instaladas no Brasil.

Tabela 2.5 Comparao do aproveitamento de rea inundada de algumas usinas no Brasil.

O reservatrio da usina Balbina equivale a aproximadamente 400 milcampos de futebol, enquanto Xing equivale a 10 mil campos de futebol.

As usinas do rio Madeira (Sto Antnio e Jirau) tm tima relao entrerea alagada e potncia instalada. Cada uma delas alaga apenas 0,08km2para cada megawatt instalado (125 kW/ha) e, se descontada a rearelativa calha do rio, este valor cai para 0,03 km2 (333 kW/ha). Asusinas existentes no Pas alagam em mdia 0,52 km2 para cada

megawatt instalado (19,2 kW/ha).

Estudos conduzidos por especialistas relatam que a energia obtida pelafotossntese atravs do sol (energia da biomassa) em florestas tropicaisequivale a aproximadamente 1,09 MW/km2 (192 kW/ha). Assim, aconstruo de uma usina hidreltrica que inunde uma rea e produza

100ha )1km2


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menos do que essa rea possa produzir por fotossntese deve serconsiderada uma ao predatria.

A usina de Balbina, construda em 1989 na bacia amaznica, queinundou 2360 km2 deveria, portanto produzir 2572,4 MW, cerca de 10vezes a potncia instalada da usina, ao invs de apenas 250MW queproduz. Considerando ainda que para cada 4 toneladas de lenha sepode gerar 0,5 MW, com 2000 ton de madeira pode-se gerar a energiaproduzida por Balbina. Os 2360 km2inundados naquela regio afogaram84 milhes de toneladas de madeira que faria a usina termeltricafuncionar por quase cinco anos. Porm, a queima dessa madeira seria oltimo recurso de utilizao dessa biomassa.

D.1 Impacto Ambiental

D.1.1 Fauna

O represamento da gua diminui acentuadamente a oxigenao dagua, prejudicando a fauna aqutica da regio. Espcies acostumadas gua corrente tm dificuldades em se adaptar gua quase parada deum lago. A migrao dos peixes e sua desova so muito prejudicadas,pois quase cessa o movimento das guas. A dificuldade em subir o riopara a desova, em virtude das barragens e represas, ameaa amultiplicao de algumas espcies.

A consequncia uma notvel diminuio na quantidade e na qualidadedos peixes, o que causa prejuzos s populaes ribeirinhas que tm napesca a principal fonte de alimentao e atividade econmica. Arepovoao da represa indispensvel.

Antes do avano das guas tem de ser feita uma criteriosa coleta dosanimais para preservao da fauna nativa da rea a ser inundada.

Os animais resgatados devem ser levados para reas que apresentem

condies semelhantes de origem. As espcies ameaadas deextino merecem cuidados especiais.

Devem ser vistos problemas de super-povoamento de reas com achegada de novos animais, tornando dramtica as condies desobrevida dos novos habitantes. Os animais resgatados, estressadospela captura e pelo transporte e sem conhecimento do novo territrio


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ficaro em situao de inferioridade em relao aos que j habitavam area.

As operaes de salvamento so uma das exigncias para a aprovaodos projetos hidreltricos.

D.1.2 Flora

O desaparecimento da vegetao nativa, com a inundao da regio darepresa, impe que se planeje um reflorestamento criterioso para reporas espcies vegetais.

Muitas vezes, o que se faz um reflorestamento pro forma, utilizandoespcies no nativas e de rpido crescimento como o eucalipto ou opinheiro americano.

fundamental que antes da inundao seja feito o desmatamento darea por duas razes:

a) Econmicas muitas madeiras de boa qualidade sero cobertaspelas guas e deix-las submergir sem nenhum aproveitamento umdesperdcio.

b) Ambiental se o desmatamento no for feito, a vegetao submersaacabar por apodrecer, prejudicando extremamente a qualidade da

gua, que se torna cida, portanto imprpria para o ser humano evenenosa para a fauna aqutica.

Ex.: Em Tucuru mais de 200 mil hectares de floresta e a no remooda massa vegetal causou enorme perda econmica e srios danosambientais. A acidificao da gua acelerou a corroso das turbinasda usina.

Resolues governamentais definem o repasse para as tarifas aCompensao Financeira pela Utilizao de Recursos Hdricos (repasse

a estados e municpios onde se constri barragens e usinashidreltricas), e pelo uso das linhas e equipamentos de transmisso darede bsica.


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D.1.3 Impacto Social - Populao Nativa e Reserva Indgena

As populaes humanas que habitam as regies onde a usina serimplantada em geral so famlias de agricultores, pescadores ou tribosindgenas, com perda de rea para caa e pesca.

Deve existir a preocupao de reassentar essas populaes em outrasregies, procurando alterar muito pouco suas condies originais de vidaou melhor-las.

Com a represa de Sobradinho 50 mil habitantes das ilhas e das margensdo So Francisco tiveram de ser reassentadas.

Com a represa de Luiz Gonzaga (Itaparica) foram submersas trscidades, Petrolndia, Glria e Rodelas, e inscries feitas por homenspr-histricos nas pedras das margens do rio. Desapareceram runas demisses jesutas e franciscanas e o famoso cais de Petrolndia,construdo para o desembarque de D.Pedro II em sua histrica viagempelo S. Francisco.

A usina de Balbina-Am inundou parte da reserva dos Waimiri-Atroari.Este grupo vem sendo drasticamente reduzido, agravado pelaconstruo da rodovia Manaus-Boa Vista (BR 174), dos 3500 indivduosregistrados em 1973, a populao caiu para 374 pessoas em 1986.

Na construo da usina de Tucuru, as empreiteiras ocuparam 60% doterritrio dos ndios gavies da montanha.

2.6.1.5 Vantagens e Desvantagens das Usinas Hidreltricas

E.1 Vantagens das usinas hidreltricas

A instalao de uma usina gera novos empregos e fontes de renda,proporcionando desenvolvimento regio.

Normalmente ocorre um aumento da densidade populacional, pois umagrande quantidade de pessoas chega ao local para participar daconstruo da usina e, depois, para mant-la em funcionamento.


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H necessidade de se criar toda uma infra-estrutura para dar novapopulao condies bsicas de vida. Vilas residenciais, escolas,hospitais, sistema de telefonia, luz eltrica, reas de lazer, etc.

A partida rpida podendo ser postas em funcionamento, sincronizadase carregadas capacidade nominal em questo de minutos.

No so poluentes, nem a gua, nem o ar.

A energia primria de custo zero.

Eficincia alta (turbina 90-94%; gerador 95-99%)

E.2 Desvantagens das Usinas Hidreltricas

Custo de capital para a construo civil alto.

Retorno do investimento relativamente longo.

Tempo de construo relativamente longo.

As usinas com grandes reservatrios provocam grandes reasinundadas com impacto ambiental e social.

O lema a ser seguido : Construir o futuro sem matar o passado.

Figura 2.32 Vista area do reservatrio das usinas de Paulo Afonso I, II e IIIe do rio So Francisco direita da foto.

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