Relatório Usinas Hidrelétricas

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ENU005 Metodologia e Modelos de Planejamento Energético – Turma T005 - Prof. Carlos Eduardo 
Velasquez Cabrera 
Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Nuclear 
Belo Horizonte - 14/12/2021 
 
Usinas Hidrelétricas 
 
João Vitor Silva Gama – 2019027709 
 
Para compreendermos o funcionamento e 
a importância de uma usina hidrelétrica, primeiro 
necessitamos conhecer sua composição e 
subdivisões (figuras 1 e 2): 
Figura 1: Estágios e partes que compõem um UHE. 
 
Figura 2: Macroáreas que compõem um UHE. 
 
 
Basicamente, uma usina hidrelétrica compõe-
se das seguintes partes: barragem (reservatório 
cuja função é além de estocar água, criar o desnível 
de queda d’água, regularizar a captação de água 
em volume adequado para a produção 
de energia, e a regulação da vazão dos rios em 
períodos de chuva e de estiagem), tomada d’água, 
vertedouro (permite a saída de água caso o nível 
do reservatório ultrapasse os limites 
recomendáveis), casa de força (parte do sistema 
que se encontram as turbinas, conectadas a um 
gerador) e subestação (transformador). Cada parte 
se constitui em um conjunto de obras e instalações 
projetadas harmoniosamente para operar 
eficientemente em conjunto. 
As principais variáveis utilizadas na 
classificação de uma usina hidrelétrica são: altura 
da queda d’água, vazão, capacidade ou potência 
instalada, tipo de turbina empregada, localização, 
tipo de barragem e reservatório. Todos são fatores 
interdependentes. Assim, a altura da queda d’água 
e a vazão dependem do local de construção e 
determinarão qual será a capacidade instalada - 
que, por sua vez, determina o tipo de turbina, 
barragem e reservatório. 
Diferentes turbinas podem ser utilizadas na 
casa de força, com a função de converter energia 
mecânica da água em energia elétrica: Turbinas 
Pelton (figuras 3 e 4) são adequadas para operar 
entre quedas de 350 m até 1100 m, sendo por isso, 
muito mais comuns em países montanhosos. Este 
modelo de turbina opera com velocidades de 
rotação maiores que os outros, e tem o rotor com 
características bastante distintas. Os jatos de água 
ao se chocarem com as "conchas" do rotor geram 
o impulso. Dependendo da potência que se queira 
gerar, podem ser acionados os seis bocais 
simultaneamente, ou apenas cinco, quatro etc. O 
número normal de bocais varia de dois a seis, 
igualmente espaçados angularmente para garantir 
um balanceamento dinâmico do rotor. 
Um dos maiores problemas destas turbinas, 
devido à alta velocidade com que a água se choca 
com o rotor, é a erosão provocada pelo efeito 
abrasivo da areia misturada com a água, comum 
em rios de montanhas. 
Figura 3: Funcionamento e fotografia de uma 
turbina do tipo Pelton. 
 
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Figura 4: Esquemático pormenorizado de uma 
turbina do tipo Pelton. 
 
Já turbinas tipo Francis possuem faixa de 
aplicação bem mais abrangente, sendo adequadas 
para operar entre quedas de 40 m até 400 m. 
Possuem uma caixa espiral em aço ligada em seu 
lado montante a um conduto forçado. Na periferia 
interna da caixa espiral, um anel rígido suporta as 
pás do pré-distribuidor. A variação da potência 
fornecida pela turbina é obtida com a abertura ou 
fechamento das palhetas diretrizes situadas na 
periferia interna do pré-distribuidor em um 
conjunto chamado distribuidor. A Usina 
hidrelétrica de Itaipu assim como a Usina 
hidrelétrica de Tucuruí, Furnas e outras no Brasil 
funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 
100 m de queda d' água. 
Figura 5: Funcionamento de uma turbina do tipo 
Francis. 
 
Figura 6: Fluxo de água numa turbina do tipo 
Francis. 
 
Turbinas Kaplan por sua vez são adequadas 
para operar entre quedas até 60 m. A única 
diferença entre as turbinas Kaplan e a Francis é o 
rotor. Este assemelha-se a um propulsor de navio 
(similar a uma hélice). Novamente, deve-se 
salientar que a turbina mais apropriada para 
cada usina hidrelétrica depende da altura de 
queda e da vazão do rio. 
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Figura 7: Esquemático 3D de uma turbina do tipo 
Kaplan. 
 
Tipos de UHE: 
a) Com reservatório (figura 8): As usinas 
hidrelétricas com reservatórios de 
acumulação armazenam água e regulam 
seu funcionamento para atender as 
demandas de energia. A capacidade de 
armazenamento é obtida por meio de uma 
represa situada a montante da usina. 
Apesar do impacto ambiental, o modelo 
com reservatório ajuda a regularizar os 
sistemas nos períodos mais secos. 
 
Figura 8: Esquemático UHE com reservatório. 
b) A fio d’água (figura 9): O fluxo de água do 
rio, ou seja, sua vazão, determina a 
quantidade de energia gerada. O volume 
de chuvas tem impacto direto na geração 
de energia nas usinas hidrelétricas, 
aumentando sua produção. Toda a água 
que chega pelo rio é utilizada para a 
geração, por isso não há acúmulo nos 
períodos de cheia, nem desperdício. Este 
tipo de hidrelétrica tem como vantagem a 
redução de áreas alagadas e, por 
consequência, maior preservação das 
áreas de entorno do reservatório e a 
proteção da fauna e da flora. 
 
Figura 9: Esquemático UHE a fio d’água. 
 
Apesar de apresentar vantagens 
socioambientais, a usina a fio d’água diminui a 
segurança energética do país. Isso porque, em 
períodos de seca prolongada, essas estruturas 
podem ficar sem água para gerar eletricidade, uma 
vez que seus reservatórios com tamanho reduzido 
não permitem funcionamento por longos períodos. 
Segundo especialistas, uma alternativa para 
compensar a limitação do potencial dessas usinas 
é investir em fontes complementares. Desse 
modo, nos períodos em que hidrelétricas a fio 
d’água operam com baixa capacidade, pode-se 
recorrer à geração de energia através de fontes 
eólicas ou solares, garantindo o abastecimento e 
equilibrando os impactos causados por cada uma. 
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Há ainda as usinas de armazenamento que 
têm dois tanques em altitudes diferentes, um a 
montante e outro a jusante, este servindo como 
reserva de energia. Durante as horas ou horários 
de menor demanda de energia, a água é conduzida 
da bacia a jusante para a bacia a montante por 
meio de uma estação de bombeamento, 
permitindo, desta forma, lidar mais seguramente 
com os momentos de maior demanda de energia. 
Em alguns sistemas, é possível usar as 
características de reversibilidade das turbinas 
Francis para convertê-las em bombas e devolver a 
água ao tanque a montante. 
Potência da UHE 
A potência em (W) de uma turbina pode ser 
calculada pela seguinte expressão: 
𝑃 = 𝜌𝑄𝐻𝑔𝜂 
Sendo 𝜌 a densidade da água (kg/m³), Q a 
vazão da água que atravessa a turbina (m³/s), H a 
queda d’água em (m), e 𝜂 a eficiência total da 
turbina. Vemos assim que a potência de uma UHE 
depende diretamente do produto entre a queda 
bruta de água, e a vazão dela. 
Apesar de ser considerada uma fonte de 
energia limpa, a geração de energia hidrelétrica 
contribui para a emissão de dióxido de 
carbono e metano, dois gases que intensificam o 
aquecimento global. A emissão de gás carbônico 
(𝐶𝑂2) se dá devido à decomposição das árvores 
que permanecem acima do nível da água nos 
reservatórios, e a liberação de metano (𝐶𝐻4) 
ocorre pela decomposição da matériaorgânica 
presente no fundo do reservatório. A medida em 
que a coluna d’água aumenta, a concentração de 
metano também cresce. Quando a água atinge as 
turbinas da usina, a diferença na pressão causa a 
liberação do metano para a atmosfera. 
A implantação de tais empreendimentos 
também provocam os seguintes prejuízos para 
fauna e flora: destruição da vegetação natural, 
assoreamento do leito dos rios, extinção de 
espécies de peixes por interferência nos processos 
migratórios e reprodutivos (piracema), ocorrência 
de atividades sísmicas devido ao peso da água 
sobre o substrato rochoso subjacente, remoção de 
mata ciliar, e aumento da pesca predatória, por 
pescadores profissionais ou em atividades de lazer. 
Segundo o artigo que Dr. Philip M. Fearnside, 
do Instituto de Pesquisas da Amazônia, publicou 
sobre as emissões de gases na Usina de Tucuruí, no 
ano de 1990, as emissões de gases do efeito estufa 
(CO2 e CH4) da usina variaram entre 7 milhões e 10 
milhões de toneladas naquele ano. O autor faz uma 
comparação com a cidade de São Paulo, que emitiu 
53 milhões de toneladas de CO2 provenientes de 
combustíveis fósseis no mesmo ano. Ou seja, 
somente Tucuruí seria responsável pela emissão 
do equivalente de 13% a 18% da emissão de gases 
do efeito estufa da cidade de São Paulo, valor 
significativo para uma fonte 
de energia considerada por muito tempo como 
“livre de emissões”. Acreditava-se que, com o 
passar do tempo, a matéria orgânica sofreria total 
decomposição e, como consequência, deixaria de 
emitir esses gases. No entanto, os estudos 
mostraram que ocorre a alimentação do processo 
de produção de gases, através da chegada de 
novos materiais orgânicos trazidos pelos rios e 
pelas chuvas. 
Como vantagens a esse modelo de geração de 
energia, encontramos: produção de energia 
independente do consumo de combustíveis 
fósseis, produção energética de alto rendimento e 
grande vida útil, impactos localizados em uma área 
específica, e baixo custo final de energia elétrica, 
como mostrado na figura 10. 
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Figura 10: Custo médio em centavos de dólar por 
KWh de algumas fontes de energia. 
 
Como desvantagens, encontramos como 
principais problemas do sistema de geração, os 
relacionados ao represamento das águas: 
comprometimento da qualidade das águas, em 
razão do caráter lêntico do reservatório, 
dificultando a decomposição dos rejeitos e 
efluentes. Além disso, o aumento do volume de 
água no reservatório formado, com consequente 
sobrepressão sobre o solo e subsolo pelo peso da 
massa de água represada, em áreas com condições 
geológicas desfavoráveis (por exemplo, terrenos 
cársticos), provocando sismos induzidos; 
Apesar da energia hidrelétrica ser considerada 
uma fonte de energia renovável, o relatório da 
Aneel aponta que sua participação na matriz 
elétrica mundial é pequena e está se tornando 
ainda menor. Tal desinteresse crescente seria 
resultado das externalidades negativas 
decorrentes da implantação de empreendimentos 
de tal porte, segundo o relatório. 
As usinas hidrelétricas construídas até hoje no 
Brasil resultaram em mais de 34.000 km² de terras 
inundadas (equivalente a mais de 4.700.000 
campos de futebol). para a formação dos 
reservatórios, e na expulsão – ou “deslocamento 
compulsório” – de cerca de 200 mil famílias, todas 
elas populações ribeirinhas diretamente atingidas. 
As obras promoveram o deslocamento forçado 
dessas populações, acompanhado por 
compensações financeiras irrisórias ou 
inexistentes; o processo de reassentamento, 
quando houve, não assegurou a manutenção das 
condições de vida anteriormente existentes. Na 
área das barragens, ocorreram diversos problemas 
de saúde pública, como o aumento de doenças de 
natureza endêmica, o comprometimento da 
qualidade da água nos reservatórios, afetando 
atividades como pesca e agricultura. É importante 
ressaltar que essas comunidades muitas vezes são 
grupos humanos identificados como populações 
tradicionais (povos indígenas, quilombolas, 
comunidades ribeirinhas amazônicas e outros), 
cuja sobrevivência depende da utilização dos 
recursos provenientes do local em que vivem, 
sobretudo dos rios, e que possuem vínculos de 
ordem cultural com o território. 
Além disso, a formação dos reservatórios 
das usinas hidrelétricas atinge geralmente solos 
mais férteis e terras agricultáveis, desintegrando a 
população local que perde suas características 
históricas, identidade cultural e suas relações com 
o lugar, além da alteração nos ecossistemas 
aquáticos e a destruição da flora e da fauna. 
Dos mercados regionais, 70% da energia 
encontra-se armazenada em reservatórios do 
sudeste (quadrilátero dos reservatórios), que 
importa energia boa parte do ano. A região 
nordeste contribui com cerca de 20% de energia 
armazenada e se mostra um grande importador de 
energia (estações secas muito intensas – 
precipitações mal distribuídas). Como 
exportadora, temos a região norte (vazios 
demográficos – baixo consumo). A região sul 
apresenta variabilidade hídrica bem maior, bem 
difícil de se prever o sentido do fluxo de energia. 
O potencial hidrelétrico da bacia do Amazonas 
é de cerca de 40%, sendo utilizado em apenas ¼ de 
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sua capacidade total. Outras regiões apresentam 
potenciais menores, mais bem aproveitados. 
O parque hidrelétrico brasileiro localiza-se 
entre os 5 maiores do mundo, sendo que seu 
potencial aproveitado é de apenas 24%. Países 
como França, Alemanha, Japão, Noruega e EUA 
apresentam melhores índices de aproveitamento 
hidráulico. O Brasil é o primeiro país do mundo em 
presença de recursos hídricos, seja originado em 
seu território, como em territórios vizinhos. 
A capacidade instalada das usinas hidrelétricas 
atualmente em operação (cerca de 74 mil MW) 
representa não mais que 28,4% do potencial 
hidrelétrico total no Brasil, estimado em 260,1 mil 
MW. Essa situação é utilizada como argumento 
para aqueles que preconizam uma expansão mais 
vigorosa dos projetos de usinas hidrelétricas no 
Brasil. Praticamente a metade desse potencial 
(50,2%) encontra-se localizado na região 
amazônica, principalmente nos rios Tocantins, 
Araguaia, Xingu e Tapajós. As consequências 
sociais e ambientais da possibilidade de 
implantação dos empreendimentos hidrelétricos 
previstos na região, envolvendo questões como as 
relacionadas com reservatórios em terras 
indígenas ou a manutenção da biodiversidade, 
exigem atenção e cuidados muito além da retórica 
dos documentos oficiais. 
A média do índice de quantos quilômetros 
precisam ser alagados por MW no Brasil vem se 
elevando de 0,48km²/MW em 1989 para cerca de 
0,52km²/MW em 2005. Isto acontece pois os rios 
de planalto, de melhor viabilidade econômica – e, 
que necessitam de menores reservatórios - já 
foram quase que, em sua maior totalidade, 
aproveitados. 
Além da região Norte, o significativo potencial 
hidrelétrico a aproveitar localizado nas bacias dos 
rios Paraná e Uruguai, representando cerca de 29% 
do restante total. Nessas regiões do Sul do país, 
caracterizadas por uma elevada densidade 
populacional nas áreas rurais, o processo de 
“deslocamento compulsório” dessas populações 
ribeirinhas para a formação dos reservatórios dos 
empreendimentos hidrelétricos previstos também 
exige toda a atenção e cuidados, para que não se 
reproduzam os problemas verificados no passado 
recente. 
Dessa forma, arepotenciação das usinas 
hidrelétricas com mais de vinte anos de operação 
surge como uma possível opção para aumentar a 
capacidade de geração hidrelétrica no país em 
cerca de 12%. Um estudo do IEE-USP para a WWF 
(Bermann, 2004a) indica que obras de 
repotenciação em 67 usinas nessas condições 
teriam potenciais de ganho de capacidade 
alcançando 868 MW para a repotenciação mínima, 
3.473 MW para a repotenciação leve e 8.093 MW 
para a repotenciação pesada. Trata-se de otimizar 
o potencial das usinas existentes, e aumentar a 
eficiência na geração.