energias-renovaveis-04

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Rafaela Filomena Alves Guimarães
Energias 
Renováveis
Unidade 4
Livro didático 
digital
Diretor Executivo 
DAVID LIRA STEPHEN BARROS
Diretora Editorial 
ANDRÉA CÉSAR PEDROSA
Projeto Gráfico 
MANUELA CÉSAR ARRUDA
Autor 
RAFAELA FILOMENA ALVES GUIMARÃES
Desenvolvedor 
CAIO BENTO GOMES DOS SANTOS
Olá. Meu nome é Rafaela Filomena Alves Guimarães. 
Sou formada em Engenharia Elétrica e possuo Mestrado em 
Engenharia Elétrica ambos pela UNESP – Universidade Estadual 
Paulista, campus de Ilha Solteira, com uma experiência técnico-
profissional na área de Engenharia de mais de 20 anos. Passei 
por empresas como a Telefonica S. A, Combustol Indústria e 
Comércio Ltda e lecionou disciplinas relacionadas a Engenharia 
Elétrica há mais de 06 anos. Tenho livros publicados na área 
de Engenharia Elétrica e de Produção. Sou apaixonada pelo 
que faço e adoro transmitir minha experiência de vida àqueles 
que estão iniciando em suas profissões. Por isso fui convidada 
pela Editora Telesapiens a integrar seu elenco de autores 
independentes. Estou muito feliz em poder ajudar você nesta 
fase de muito estudo e trabalho. Conte comigo!
Autor 
RAFAELA FILOMENA ALVES GUIMARÃES
INTRODUÇÃO: 
para o início do 
desenvolvimen-
to de uma nova 
competência;
DEFINIÇÃO: 
houver necessidade 
de se apresentar 
um novo conceito;
NOTA: 
quando forem 
necessários obser-
vações ou comple-
mentações para o 
seu conhecimento;
IMPORTANTE: 
as observações 
escritas tiveram 
que ser prioriza-
das para você;
EXPLICANDO 
MELHOR: 
algo precisa ser 
melhor explicado 
ou detalhado;
VOCÊ SABIA? 
curiosidades e 
indagações lúdicas 
sobre o tema em 
estudo, se forem 
necessárias;
SAIBA MAIS: 
textos, referências 
bibliográficas e 
links para aprofun-
damento do seu 
conhecimento;
REFLITA: 
se houver a neces-
sidade de chamar a 
atenção sobre algo 
a ser refletido ou 
discutido sobre;
ACESSE: 
se for preciso aces-
sar um ou mais sites 
para fazer download, 
assistir vídeos, ler 
textos, ouvir podcast;
RESUMINDO: 
quando for preciso 
se fazer um resumo 
acumulativo das 
últimas abordagens;
ATIVIDADES: 
quando alguma ativi-
dade de autoapren-
dizagem for aplicada;
TESTANDO: 
quando o desen-
volvimento de uma 
competência for 
concluído e questões 
forem explicadas;
Iconográficos
Olá. Meu nome é Manuela César de Arruda. Sou a responsável pelo pro-
jeto gráfico de seu material. Esses ícones irão aparecer em sua trilha de 
aprendizagem toda vez que:
SUMÁRIO
Introdução......................................................................................10
Competências................................................................................11
Energia hidroelétrica...................................................................12
Estudo da capacidade de um reservatório.........................16
Determinação da capacidade de reservatórios pluviais.............18
Produção de energia elétrica...................................................................19
Tipos e configurações das usinas..........................................26
Principais componentes da central hidrelétrica.........................27
Especificação das turbinas.........................................................................29
Usina de Itaipu....................................................................................................30
Vantagens e desvantagens da geração hidroelétrica..............32
Vantagens das hidroelétricas...................................................................33
Aspectos econômicos sobre a geração hidroelétrica...........35
Bibliografia.....................................................................................38
Energias Renováveis 9
UNIDADE
04
Energias Renováveis10
Nesta unidade vamos estudar hidroelétricas e os 
itens que devem ser avaliados no projeto de uma usina. A 
geração de energia por meio de hidroelétricas é a matriz 
energética mais usada no Brasil. Esta geração de energia 
possui baixo custo operacional, sendo que as usinas para 
serem construídas demandam um alto investimento e 
demoram muito tempo (o maior tempo de todas as matrizes). 
Este tipo de energia já foi considerado quase infinito em 
países como o Brasil, com abundância de rios. Devido a 
mudanças nas condições climática, os reservatórios têm 
enfrentado períodos de baixo nível. Devido a mudanças 
na conscientização ambiental da população, a aprovação 
de projetos de usinas com grandes reservatórios tem se 
tornado cada vez mais difícil. Ainda temos um grande 
potencial para instalação de hidroelétricos, entretanto 70% 
deste potencial se localiza na região Amazônica. Esta forma 
de energia é considerada a mais barata do mundo e uma 
grande vantagem competitiva. Entendeu? Ao longo desta 
unidade letiva você vai mergulhar neste universo!
INTRODUÇÃO
Energias Renováveis 11
Olá. Seja muito bem-vindo à Unidade 4. Nosso 
objetivo é auxiliar você no alcance dos seguintes objetivos 
até o término desta etapa de estudos:
1. Identificar e entender as usinas hidroelétricas e 
aprender os itens que devem ser considerados em um 
projeto de usina hidroelétrica
2. Identificar e entender o funcionamento das usinas 
hidroelétricas e os tipos de turbinas que transformam a 
energia potencial da água em energia elétrica
3. Estudar as vantagens deste sistema de geração 
assim como seus desafios futuros.
4. Compreender as desvantagens da geração 
hidroelétrica
Então? Preparado para uma viagem sem volta rumo 
ao conhecimento? Ao trabalho!
COMPETÊNCIAS
Energias Renováveis12
Energia hidroelétrica
As usinas hidroelétricas são regidas pela água, 
item essencial para a sobrevivência humana. Nosso 
abastecimento, assim como o dos animais e a agricultura 
competem pela preferência no uso da água Devido às 
mudanças climáticas a água vem se tornando um bem 
precioso. Mais de 60% da nossa energia é proveniente 
das hidroelétricas que possuem necessidade de serem 
repotencializadas, porque a maioria delas foi construída há 
mais de 20 anos, utilizando tecnologias que evoluíram. Seu 
retrofit (a repotencialização) gerará inúmeros empregos, 
sem contar que o Brasil ainda possui um potencial de 172 
GW, dos quais somente 60% foram aproveitados. E então? 
Motivado para desenvolver esta competência? Então 
vamos lá. Avante!
DEFINIÇÃO:
Uma usina hidrelétrica gera energia elétrica através 
da transformação da energia potencial da água em 
energia elétrica. Essa transformação ocorre devido 
as turbinas elétricas que possibilitam a passagem 
da água em velocidade (devido à queda d’água) 
em um caracol como se fosse uma roda d’água, só 
que de uma maneira controlada. 
A cada turbina é conectado um gerador, geralmente 
uma máquina síncrona, responsável por transformar essa 
energia mecânica em energia elétrica. Basicamente uma 
turbina é definida pela altura da queda d’água e vazão.
Escolhemos o local de instalação de uma usina 
hidrelétrica por alguma cachoeira, desnível ou queda 
d’água já existente. Essa força potencial é que será a força 
Energias Renováveis 13
motriz para movimentar a turbina que estará acoplada ao 
gerador. 
A parte onde a água fica represada é chamada 
de montante. A parte onde a água é despejada pelas 
comportas é chamada de jusante. Deste modo o nível de 
água à montante é sempre mais alto do que o nível de água 
à jusante.
Figura 01: Usina de Itaipu onde a queda de água é de 118 m
Fonte: Pixabay
Altura da queda 
de água que 
movimentará a 
turbina
jusante
Montante
A turbina faz movimentar o gerador e um sistema 
de controle de velocidade e vazão faz com que esta 
velocidade seja constante. Estas regulações juntas são as 
responsáveis por manter a frequência constante em cada 
turbina e no sistema elétrico como um todo. A energia 
mecânica devido ao fluxo da água movimenta a turbina. 
Com a rotação da turbina, onde existem imãs, é criado um 
campo eletromagnético no estator que possui bobinas 
de cobre. Este campo magnético faz surgir uma corrente 
Energias Renováveis14elétrica. A corrente elétrica em um circuito fechado produz 
uma tensão. Pronto temos a transformação de energia 
mecânica em elétrica.
No Brasil as turbinas das principais hidroelétricas 
(Itaipu, Tucuruí, Ilha Solteira) são do tipo Francis, utilizadas 
em quedas acima de 60 m. As turbinas Kaplan assemelham-
se a uma hélice de navio e são usadas em quedas inferiores 
a 60 m. Elas estão instaladas nas usinas de Jupiá em Três 
Lagoas e Três Marias. As turbinas tipo bulbo não eram muito 
utilizadas até a construção das usinas do Rio Madeira (Santo 
Antônio e Jirau) onde foram instaladas. Essas turbinas são 
utilizadas para quedas bastante baixas e trabalham imersas 
no rio, apresentando a vantagem de requererem uma 
pequena área de alagamento. 
As usinas também podem ser classificadas quanto a 
seus reservatórios em
 Usina a fio d’água – não é utilizada para 
armazenamento de água, ou seja, a energia elétrica é 
gerada com a água existente no leito do rio. Esta usina 
não atua para regularizar as vazões do rio e seu impacto 
ambiental é menor do que as usinas com reservatório de 
acumulação. Exemplos de usinas a fio d’água são Itaipu, as 
do Rio Madeira e Belo Monte. 
 As usinas de acumulação, como o próprio nome 
nos diz, acumulam água na época da chuva para utilizarem 
no período seco e regulam a vazão do rio. Seu impacto 
ambiental é maior devido a maior área alagada. Exemplos 
de usinas de acumulação são: Ilha Solteira e Tucuruí.
 Existem também as usinas reversíveis que podem 
tanto gerar energia quanto ceder água para um outro 
reservatório ou para o enchimento de represas que 
abastecem companhias de fornecimento de água. No Brasil 
este tipo de usina não é comum, temos apenas a usina de 
Henry Borden (1ª usina instalada no país), que capta água 
do Rio das Pedras para gerar energia ou pode enviar a 
Energias Renováveis 15
água deste rio para abastecer a represa Billings na região 
metropolitana de São Paulo.
ACESSE:
Assista ao vídeo da construção da usina de 
Itaipu (o canal National Geographic escolheu 
as 7 obras de Engenharia mais desafiadoras do 
mundo e a construção desta usina foi uma das 
vencedoras. Será possível ver os problemas 
enfrentados na construção, o erro de 
Engenharia cometido no projeto (e sua solução) 
e as dificuldades superadas na construção de 
uma mega obra. Esta usina é a 2ª maior do 
mundo, disponível em: https://www.youtube.
com/watch?v=hCqbPmqNWFo acessado em 
28/09/19
https://www.youtube.com/watch?v=hCqbPmqNWFo acessado em 28/09/19
https://www.youtube.com/watch?v=hCqbPmqNWFo acessado em 28/09/19
https://www.youtube.com/watch?v=hCqbPmqNWFo acessado em 28/09/19
Energias Renováveis16
Estudo da capacidade de um reservatório
Considerando-se o comportamento variável de 
vazões no rio, pode-se concluir que, se nada for feito, 
apenas uma vazão muito pequena poderia ser usada na 
geração de energia. Se os aproveitamentos d’água fossem 
feitos com base unicamente nessa vazão, iriam se tornar, 
em geral, antieconômicos, pois grande parte da água 
disponível não seria utilizada.
Em muitos casos, então é conveniente que se 
armazene água de forma a permitir o uso mais constante 
de uma vazão média superior apenas aquela garantida 
pelo comportamento natural do rio. Isso é feito através de 
barragens de acumulação que permitem o armazenamento 
da água para uso em momentos mais convenientes. Tais 
barragens, obviamente, implicam, por um lado, aumento 
de custos, mas, por outro, benefícios advindos do fato de 
se poder obter uma vazão média mais alta. Do ponto de 
vista socioambiental, também podem ocorrer vantagens 
e desvantagens. Tais custos, benefícios, vantagens e 
desvantagens, entre outros aspectos, devem fazer parte 
da avaliação técnico-econômica e socioambiental de 
cada projeto. A vazão média obtida após a instalação da 
barragem no rio recebe o nome de vazão regularizada. O 
processo de armazenamento da água e obtenção da vazão 
regularizada recebe o nome de regularização do rio.
Diversos aproveitamentos podem ser efetuados no 
mesmo rio, e, no caso de hidreletricidade, aproveitamentos 
de rios diferentes podem ser interligados por meio de rede 
elétrica. Dessa maneira, dois tipos de aproveitamentos 
podem ser desenvolvidos:
 Aproveitamentos denominados a fio d’água, sem 
regularização de vazões (embora possam dispor ou não 
de reservatórios), usando a vazão primária do rio (vazão 
disponível, sem regularização, entre 90 e 100% do tempo). A 
Energias Renováveis 17
energia associada a essa vazão recebe o nome de energia 
primária.
 Aproveitamentos com regularização de vazão, nos 
quais se associa o nome de energia firme àquela energia 
que pode ser garantida durante quase todo o tempo. Para 
os aproveitamentos a fio d’água, a energia firme coincide 
com a energia primária.
Qualquer que seja o tamanho do reservatório ou a 
finalidade da água acumulada, sua principal função é a de 
agir como um regulador, visando a regularização da vazão 
dos cursos d’água ou visando atender às variações da 
demanda dos usuários.
Como a função primordial dos reservatórios é 
proporcionar acumulação, sua característica mais 
importante é a capacidade de armazenamento ou 
volume do reservatório. A capacidade dos reservatórios 
construídos em terrenos naturais é calculada, em geral, 
com base na altura máxima de operação do reservatório 
a partir do levantamento topográfico. Na ausência de bons 
mapas topográficos, há outros processos menos precisos 
de cálculo.
Obtidos os dados relativos ao reservatório, pode-
se traçar a curva Área X Altitude e a curva Capacidade X 
Altitude, que permite a obtenção da área inundada pelo 
reservatório em função do nível máximo d’água. Isto é 
uma parte fundamental no projeto da usina e tem grande 
importância, pois por meio dela pode-se ter visualização 
preliminar de parte dos impactos ambientais e sociais 
provocados pela obra executada (população deslocada, 
inundação de áreas históricas e sítios arqueológicos, 
inundação de belezas naturais).
O nível normal dos reservatórios é a cota máxima 
até a qual as águas se elevarão em condições normais 
de operação. O nível mínimo dos reservatórios é a cota 
Energias Renováveis18
mínima até a qual as águas baixam em condições normais 
de operação. Em caso de usinas hidrelétricas, esse nível 
é determinado pelas condições operacionais de melhor 
rendimento das turbinas. O volume armazenado entre 
os níveis normal e mínimo é denominado voluma útil do 
reservatório e tem como principais funções a capacidade 
acumulação de água e para atenuação de cheias.
A caudalidade indica a capacidade de água que pode 
ser fornecida pelo reservatório em determinado período de 
tempo. Esse período pode variar de um dia (para pequenos 
reservatórios de distribuição) a um ano (para grandes 
reservatórios de acumulação). Desse modo, a caudalidade 
pode ser dada tanto em km³ por ano como em m³ por dia. A 
caudalidade de um reservatório pode variar a cada ano (ou 
a cada período) porque depende das vazões de entrada, as 
denominadas vazões afluentes.
É denominada vazão firme a vazão máxima que pode 
ser garantida durante um período crítico de estiagem, ou, de 
outro ponto de vista, aquela vazão que pode ser garantida 
praticamente durante todo um período em que a operação 
desse aproveitamento não se altera. Considerando-se 
que os sistemas, assim como as estratégias operativas, 
evoluem, o valor dessa vazão varia ao longo do período 
de vida útil do reservatório. Devem-se, portanto, utilizar 
recursos probabilísticos para determinar o valor da vazão 
com maior precisão.
Determinação da capacidade de 
reservatórios pluviais
Para a determinação da capacidade de reservatórios 
deve ser feita uma análise operacional, ou seja, deve-se 
simular as operações do reservatório durante um certo 
período. Essa análise pode ser feita apenas em um período 
de estiagem extrema ou em um período completo, quando 
Energias Renováveis 19
se dispõe de mais dados fluviométricos. No primeiro caso, o 
estudo serestringe apenas à determinação da capacidade 
suficiente para suportar a seca de projeto; no segundo caso, 
o estudo avalia o volume de água (energia) aproveitável em 
cada um dos anos. Um estudo ainda mais completo pode 
ser feito para indicar a probabilidade de maior ou menor 
escassez de água, o que constitui um fator importante no 
planejamento econômico e na inserção do projeto em um 
sistema integrado.
Produção de energia elétrica
O ser humano descobriu, desde épocas imemoriais, 
que a força da água resultante de um desnível do terreno 
por onde ela passa produz uma energia capaz de realizar 
trabalho, e que este trabalho tanto pode ser destrutivo como 
construtivo. Assim, desde a construção dos equipamentos 
mais simples, como o monjolo e a roda d’água, até a 
tecnologia atual de grandes turbinas hidráulicas, o homem 
aprendeu a dominar a força da água e a transformá-la para 
seu benefício. A pequena potência gerada pelo monjolo e 
pela roda d’água era capaz de produzir trabalho suficiente 
para a trituração de grãos alimentícios.
O desenvolvimento tecnológico ao longo do tempo chegou 
ao seu auge com a construção de um equipamento, a turbina 
hidráulica, capaz de transformar a energia cinética e potencial 
da água em energia mecânica, que é, então, transformada em 
energia elétrica por meio de geradores elétricos, que nada 
mais são do que conversores eletromecânicos de energia. 
Nos dias de hoje, a grande potência que pode ser gerada por 
uma turbina hidráulica é capaz de abastecer a iluminação e o 
consumo de cidades inteiras.
Como consequência, a potência de um aproveitamento 
hidrelétrico depende diretamente da magnitude da queda 
d’água (energia potencial) e da vazão de água passando 
Energias Renováveis20
pela turbina (energia cinética). Essa vazão, medida em 
metros cúbicos por segundo (m³/s), recebe o nome de 
vazão turbinada.
A análise energética de um aproveitamento hidrelétrico 
permite verificar que a potência elétrica possível de ser 
obtida é dada por:
 P = ηror x g x Q x H
em que: 
 ηror é o rendimento total do conjunto, considerando 
as perdas em todas as estruturas que estão no circuito 
hidráulico e equipamentos da usina que estão no circuito 
de energia; 
 g é a aceleração da gravidade: 9,81 m/s²; 
 Q é a vazão (m³/s); 
 H é a queda bruta (m); 
 P é potência elétrica (kW).
O valor da vazão turbinada e suas características ao 
longo do tempo estão relacionados com o regime fluvial do 
rio onde se localiza a usina, o tipo de aproveitamento (que 
pode ser a fio d’água ou com reservatório de regularização), 
a regularização da vazão (se existente) e com um cenário 
que considere as outras formas de utilização da água. 
Se o aproveitamento for totalmente voltado à produção 
de energia elétrica, toda a vazão regularizada poderá ser 
turbinada. Já em um aproveitamento que contemple outros 
usos d’água, como irrigação, navegabilidade e geração de 
energia elétrica, por exemplo, a vazão turbinada poderá ser 
apenas parte da vazão regularizada total.
O regime fluvial natural do rio, que determina a 
vazão que pode ser utilizada para gerar energia elétrica, é 
bastante variável, dependendo de diversos fatores, entre 
eles o regime pluvial da bacia hidrográfica à qual pertence.
Energias Renováveis 21
Nesse contexto, as centrais hidrelétricas podem 
utilizar apenas a vazão mantida pelo rio a maior parte do 
tempo, nas centrais denominadas “a fio d’água”, ou a vazão 
resultante de regularização por meio de reservatórios.
Centrais hidrelétricas “a fio d’água” são aquelas que 
não tem reservatório de acumulação ou cujo reservatório 
tem capacidade de acumulação insuficiente para que a 
vazão disponível para as turbinas seja muito diferente da 
vazão estabelecida pelo regime fluvial. Nessas condições, 
podem estar situadas as centrais de pequeno porte, tais 
como mini-hidrelétricas (e também micro-hidrelétricas) 
com potências iguais a ou menores que 1 MW; parte das 
pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs), que são centrais 
com potência de até 30 MW; assim como centrais de 
grande porte que utilizam tecnologias específicas, como 
no caso das usinas de Santo Antônio e Jirau, no rio Madeira, 
onde se utilizam turbinas do tipo bulbo. Há também 
usinas hidrelétricas com reservatório de acumulação, que 
operam a maior parte do tempo “a fio d’água”, ou seja, sem 
utilizar sua capacidade de regulação e turbinando a vazão 
estabelecida pelo projeto, como é o caso da usina de Itaipu.
Centrais hidrelétricas que efetuam regularização 
da vazão, por sua vez, estão associadas à construção de 
reservatórios que permitem o armazenamento da água e o 
controle da vazão, e até mesmo a obtenção de uma vazão 
constante durante certo período. Essa vazão é garantida 
pelo armazenamento de água durante o período de chuvas, 
para encher o reservatório, que será esvaziado durante 
o período de seca (ou de poucas chuvas). O reservatório 
resulta da construção de uma barragem, cuja altura 
determina a área inundada pela usina e o volume da água 
contida no próprio reservatório. O máximo volume teórico 
efetivo de um reservatório seria aquele que permitisse a 
obtenção de apenas uma vazão regularizada durante o 
período de análise, utilizando toda a água que passasse no 
Energias Renováveis22
local onde está construída a barragem. Qualquer volume 
maior que esse máximo teórico não aumentaria a vazão 
regularizada e seria menos econômico em razão da maior 
altura da barragem.
Na prática, pelos aspectos técnicos e econômicos, 
na definição da melhor altura da barragem, sempre 
foram considerados critérios que, geralmente, resultaram 
em dimensionamento menor que o correspondente ao 
maior volume teórico. O aumento da importância dos 
aspectos sociais e ambientais tem enfatizado ainda mais a 
importância do compromisso entre a altura da barragem, 
os limites relacionados com a área inundada e o volume 
do reservatório, o que tem conduzido a projetos com 
regularização parcial (diferentes vazões regularizadas em 
diferentes períodos) e, consequentemente, a menores 
áreas inundadas e volumes.
Além de aspectos sociais e ambientais específicos, 
o uso múltiplo das águas deve ser considerado no 
estabelecimento dos limites de área inundada e volume. 
Além disso, o conjunto possível de vazões regularizadas 
pode ser avaliado pelo desempenho da usina no sistema 
elétrico interligado, que permite maior flexibilidade 
operativa na utilização dos diversos aproveitamentos ao 
ser usado como “circuito hidráulico virtual”.
A região norte possui um potencial de 111.396 MW 
dos quais somente 8,9% são aproveitados. Já a região 
Nordeste possui um potencial de 26.268 MW dos quais só 
40,4% são aproveitados. A região Sudeste/Centro-Oeste 
possui 78.716 MW de potencial hidroelétrico, sendo que 
41% é aproveitado face 42.030 MW da região Sul onde são 
aproveitados 47,8%, conforme pode ser visto na figura 03.
Energias Renováveis 23
Figura 03: Potencial hidroelétrico por região brasileira.
Fonte: Freepik | Tolmasquim, M. T. (Coordenador). Energia Renovável: Hidráulica, 
Biomassa, Eólica, Solar, Oceânica. EPE: Rio de Janeiro/RJ, 2016, página 60
As primeiras centrais hidrelétricas do mundo foram 
construídas como aproveitamentos de quedas naturais já 
existentes no curso dos rios onde foram instaladas. No Brasil, o 
primeiro aproveitamento hidrelétrico para atendimento público, 
considerado também a primeira central elétrica da América 
do Sul, denominada Marmelos, foi construída no ano de 1.889 
para atendimento da cidade de Juiz de Fora, com a potência 
de 250 KW. Nessa época, a geração de energia elétrica tinha 
basicamente o objetivo de suprir iluminação residencial e 
iluminação pública. A energia elétrica para acionamento de 
motores só ocorreu mais tarde, com o avanço tecnológico. 
Amazônica 57,3 MW
A explorar
Explorado
Toc-Araguaia 22,8 MW
Atl. Leste 2,9 MW
Atl. Sudeste 9 MW
Paraná 42,8 MW
Uruguai 14,6 MW
Paraguai 2 MW
São Francisco 13,7 MW
Parnaíba
0,9 MW
Atlântico 
Sul 6,3 MW
EnergiasRenováveis24
No Brasil, o conceito de usina hidrelétrica (UHE) 
compreende usinas geradoras de energia com mais de 
30 MW de potência instalada. Usinas com potência entre 
3 MW e 30 MW são consideradas PCHs, usinas com 
potência inferior a 75 kW até 3 MW de potência instalada 
são chamadas de minicentrais hidrelétricas. Essas últimas 
podem ser utilizadas com geradores do tipo assíncrono, 
que são máquinas mais acessíveis do ponto de vista 
econômico, mas que, por motivos técnicos, não podem ser 
utilizadas em grandes usinas.
Conhecer essa classificação é importante uma vez que 
as leis e regulamentações existentes, estabelecidas tanto 
pela Aneel como pelos órgãos e entidades ambientais, 
seguem essa divisão estabelecida de acordo com a 
potência instalada.
Para a Aneel, um dos pontos mais importantes é o 
aproveitamento integral das quedas d’água existentes ao 
longo do rio. Assim, o rio é dividido em quedas d’água 
aproveitáveis para a construção de usinas, e cada usina 
aproveita o máximo da queda d’água do seu local de 
instalação.
Com relação aos reservatórios, aqueles de maior 
porte, associados a maiores problemas socioambientais, 
são usualmente encontrados nas grandes e médias centrais. 
Em alguns casos, as PCHs também podem apresentar 
reservatórios, mas bem menores.
Além de possível retirada de água para irrigação, as 
centrais hidrelétricas contêm vertedouros que permitem 
extravasar a água acima de certo limite, quando necessário, 
de forma similar ao “ladrão” da caixa d’água; comportas que 
propiciam o desvio da água para que ela não passe pelas 
turbinas; eclusas que facilitam a navegação fluvial; e escadas 
de peixes que permitem a piracema. Esses melhoramentos 
contribuíram muito para que o impacto ambiental da 
instalação de uma hidroelétrica fosse reduzido.
Energias Renováveis 25
A determinação das melhores características de um 
reservatório depende de diversos fatores, que incluem os 
apontados anteriormente, relacionados com a hidrologia, 
o dimensionamento mecânico e elétrico, o desempenho 
no sistema elétrico interligado, os requisitos ambientais e 
sociais e os usos múltiplos da água. 
Energias Renováveis26
Tipos e configurações das usinas
Em uma central hidrelétrica, a água aciona uma 
turbina hidráulica que movimenta o rotor de um gerador 
elétrico para produção de energia elétrica. A água utilizada, 
identificada pela sua vazão (m³/s), pode ser totalmente 
liberada pelo aproveitamento – com reservatório de 
acumulação ou não – ou liberada apenas em parte, nos 
casos em que a geração de energia elétrica é apenas um 
dos componentes do uso múltiplo da água.
A turbina hidráulica efetua a transformação da 
energia hidráulica em mecânica. Seu funcionamento, 
conceitualmente, é bastante simples: é o mesmo princípio 
da roda d’água que, movimentada pela água, faz girar um 
eixo mecânico. O gerador elétrico tem seu rotor acionado 
por acoplamento mecânico com a turbina e transforma 
energia mecânica em elétrica em razão das interações 
eletromagnéticas ocorridas em seu interior. Em geral, 
são usados geradores síncronos, porque os sistemas de 
potência devem operar com frequência fixa (controlada 
como constante. No Brasil essa frequência é igual a 60 Hz). 
Para controlar a potência elétrica do conjunto, são usados 
reguladores:
 De tensão, que controlam a tensão nos terminais 
do gerador, atuando na tensão aplicada (e, portanto, 
na corrente) no enrolamento do rotor (enrolamento de 
excitação).
 De velocidade, que controlam a frequência por meio 
da variação de potência, atuando na válvula de entrada de 
água da turbina.
Energias Renováveis 27
Principais componentes da central 
hidrelétrica
A finalidade de cada um dos principais componentes 
de uma central hidrelétrica (desenhada na figura 04) é 
descrita a seguir:
Figura 04: Componentes de uma usina hidroelétrica.
Fonte: Freepik (editado)
 As barragens têm como principais finalidades:
 Represar a água para captação e desvio.
 Elevar o nível d’água para aproveitamento elétrico e 
navegação.
 Represar a água para regularização de vazões e 
amortecimento de ondas de enchentes.
A central hidrelétrica em desvio, como diz o próprio 
nome, baseia-se no desvio d’água em certo local do rio – 
Usina Hidrelétrica
Reservatório
Canal
Duto
Rio
Cassa de força
Gerador
Turbina
Linha de 
disribuição de 
energia
Energias Renováveis28
associado ao Nível de Montante, para produção de energia 
elétrica e retorno d’água ao rio em local com menor 
altitude – associado ao Nível de Jusante. De forma geral, 
tal configuração é mais utilizada para centrais de pequeno 
porte, as PCHs.
Esse diagrama apresenta a turbina e o gerador 
acoplados mecanicamente pelo eixo, no qual se 
desenvolve a potência mecânica (Pmec). Temos também 
dois reguladores fundamentais para operação e controle 
da central: o regulador de tensão e o de velocidade 
(controlador da frequência).
Além das usinas a fio d’água e das com reservatórios 
de regularização de vazões, devem ser citadas as usinas 
reversíveis. 
A escolha do melhor tipo de barragem para uma 
determinada seção é um problema tanto de viabilidade 
técnica como de custo. A solução técnica depende do 
relevo, da geologia e do clima. O custo dos vários tipos 
de barragens depende principalmente da disponibilidade 
de materiais de construção próximo ao local da obra 
e da acessibilidade de transportes. Há diferentes tipos 
de barragens – de gravidade, em arco e de gravidade 
em arco – cuja avaliação e escolha são efetuadas por 
meio de considerações técnicas e econômicas, afeitas 
principalmente à engenharia civil.
As grades antes da entrada no caracol impedem 
a queda de peixes no turbilhão do gerador e também 
é uma inovação tecnológica que surgiu com a maior 
conscientização ambiental de preservação da vida dos 
animais aquáticos. 
A casa de força são os locais de instalação de turbinas 
hidráulicas, geradores elétricos, reguladores, painéis e 
outros equipamentos do sistema elétrico de geração. As 
configurações das casas de força variam largamente e 
dependem também do tipo de turbina escolhida. 
Energias Renováveis 29
Especificação das turbinas
Os quatro tipos de turbinas mais utilizadas em usinas 
hidroelétricas são a Pelton, a Francis, a Kaplan e a Bulbo. A 
escolha da turbina depende de dois parâmetros: a queda 
e a vazão de água. Simplificadamente podemos dizer que 
a turbina Pelton é mais utilizada em grandes quedas, por 
exemplo, na Usina de Henry Borden que possui uma queda 
de cerca de 700 m. A turbina Francis é utilizada em quedas 
médias, que vão de 40 a 500 m, como a utilizada na Usina de 
Ilha Solteira (queda de 41,5 m). Já a turbina Kaplan é utilizada 
em quedas baixas, como a Usina de Jupiá com uma queda 
de 21,3 m. Atualmente para quedas baixas, utiliza-se a turbina 
Bulbo como as que foram usadas no rio madeira. Estas 
informações podem ser obtidas diretamente da figura 05.
Figura 05: Faixas de aplicação dos diversos tipos de turbinas.
ANEEL, Curso de EaD – Fundamentos do setor elétrico, disponível em http://
www.labtime.ufg.br/modulos/aneel/mod3_uni2_sl6.html acessado em 
28/09/19.
http://www.labtime.ufg.br/modulos/aneel/mod3_uni2_sl6.html
http://www.labtime.ufg.br/modulos/aneel/mod3_uni2_sl6.html
Energias Renováveis30
A rotação específica da turbina é dada pela fórmula
em que a rotação é dada em rps (rotações por 
segundo). 
 n é a rotação da turbina
 Q é a vazão (m3/s)
 H é a queda e 
 g é a gravidade.
Na turbina Pelton, utilizada em grandes quedas, 
a energia é produzida pela alta velocidade dos jatos 
de água que incidem tangencialmente sobre suas pás. 
Conceitualmente, são similares às famosas rodas d’água. As 
demais turbinas desenvolvem potência pela combinação 
da ação da pressão constante da água e de sua velocidade. 
São chamadas de turbina de reação. 
A escolha e o projeto de uma turbina são pontos 
muito importantes do desenvolvimento de uma central 
hidroelétrica. Envolvem análise e estudo de fenômenos 
relativamente complexos,como desempenho dinâmico da 
água, turbilhonamento, cavitação (é quando a água corrói o 
material de que é feito a turbina, pelo atrito).
A principal vantagem das turbinas bulbo que trabalham 
imersas no rio, se deve ao fato do alagamento quase não 
existir, ou seja, ela reduz os impactos ambientais. 
Usina de Itaipu
A usina de Itaipu é uma usina binacional, ou seja, 
pertence ao Brasil e ao Paraguai (50% para cada país). que 
foi construída sobre as cataratas do Iguaçu na foz do Rio 
Energias Renováveis 31
Paraná. O sistema brasileiro utiliza a energia na frequência 
de 60 Hz, ao passo que o sistema Paraguai utiliza a 
frequência de 50 Hz no seu sistema de potência. O Brasil 
compra mensalmente quase toda a energia gerada pelo 
Paraguai (compramos mais de 90% da usina produzida 
pelos paraguaios). Para podermos utilizar esta energia 
precisamos transformar a frequência de 50 para 60 Hz. Isto 
somente pode ser feito através de um elo CC (Corrente 
Contínua).
A energia gerada pelo Paraguai em corrente alternada 
e vendida ao Brasil é transformada em corrente contínua e 
transmitida até a subestação de Tijuco Preto (em São Paulo) 
onde é novamente transformada em corrente alternada, 
mas agora na frequência de 60 Hz, ou seja, nas condições 
do mercado brasileiro.
Este foi somente um dos muitos desafios vencidos 
no projeto e construção desta usina. Suas dimensões e 
parâmetros são impressionantes. A usina de Itaipu sozinha 
alimenta mais de 20% da energia consumida no Brasil. Nas 
vezes em que ocorreram problemas de geração nesta usina 
e ela foi retirada de operação o Brasil como um todo sentiu 
a falta de energia, pois como o nosso sistema é interligado, 
nossa reserva técnica não é capaz de suportar a saída de 
uma fonte tão importante.
A China está construindo uma usina maior que Itaipu 
chamada de três Gargantas que será a maior usina do 
mundo.
Energias Renováveis32
Vantagens e Desvantagens da geração 
hidroelétrica
As usinas hidroelétricas devem possuir um projeto 
muito bem estruturado e e que englobe as oscilações 
sazonais de níveis d’água, principalmente para garantir a 
estabilidade das encostas evitando escorregamentos ou 
deslizamentos de terra nas margens dos lagos formados.
Também devem ser consideradas as tendências 
de assoreamento dos reservatórios para que possam ser 
avaliadas as características do curso d’água e dos materiais 
e da formação geológica do leito. Com esses dados devem 
ser tomadas providências para se evitar o assoreamento 
das encostas perto da barragem.
No projeto também devem ser tomados todos os 
cuidados para que a navegação não seja afetada, ou deve 
ser considerado a inclusão de eclusas nas barragens, como 
existe em várias usinas dos rios Tietê e Paraná (aliás, essas 
eclusas tornaram os rios navegáveis, obtendo um caminho 
alternativo para o escoamento da safra).
Um exemplo de erro de projeto que não levou estes 
dados em consideração é a Usina de Ilha Solteira (este 
nome foi dado porque o projeto não foi bem calculado e 
na hora da formação do lago sobrou uma ilha na represa). 
Os locais que serão inundados devem ser analisados 
rigorosamente. Muitas usinas hidroelétricas inundaram 
depósitos de argila utilizados como fonte de renda por 
moradores locais. 
As águas subterrâneas devem ser analisadas 
com cuidado para que elas não afetem a formação do 
reservatório. Quando um lago é formado ocorre a elevação 
de muitas nascentes e este fato pode afetar produtores 
agrícolas locais. 
O impacto ambiental também deve considerar se a 
área a ser alagada é proveniente de agricultura com o uso 
Energias Renováveis 33
intensivo de agrotóxicos, pois estes produtos podem afetar 
a qualidade da água da represa e causar mortalidade de 
peixes. 
Os impactos esperados sobre os solos estão ligados 
ao conjunto das obras de engenharia, tais como instalação 
do canteiro de obras, abertura das estradas de serviço, 
áreas de empréstimo e deposição de descartes, estrada 
de interligação das usinas e finalmente a própria formação 
da represa. 
O projeto com maior impacto ambiental foi a 
construção da usina de Balbina no Amazonas. Esta usina 
possui um imenso reservatório, este lago inundou a 
vegetação da floresta Amazônica, ou seja, as árvores não 
forem retiradas antes da formação do lago, fazendo com 
que esta usina emita tanto gás metano como uma usina de 
carvão. 
Deve ser feito um trabalho detalhado de catalogação 
da flora a ser inundada, para que estas espécies possam 
ser replantadas em outras áreas, ocorrendo assim a 
preservação do ecossistema local. 
As comunidades locais que serão inundadas devem 
ser removidas e indenizadas com valores justos, assim 
como a usina deve ressarcir as cidades afetadas e construir 
obras de infraestrutura que melhorem a vida da população 
local. Geralmente as obras de construção de uma usina 
hidroelétrica atrai verdadeiras multidões de trabalhadores 
em busca de novas oportunidades o que faz com que as 
cidades próximas a esta usina sofrem verdadeiros “booms” 
populacionais.
Vantagens das hidroelétricas
Certas características de usinas hidroelétricas 
são muito importantes, pois servem de subsídio para o 
planejamento de expansão de geração e para a operação 
Energias Renováveis34
adequada dos sistemas de potência. Essa é a razão por 
dizermos que esta é a forma de energia mais barata do 
mundo, porque ela pode ser moldada conforme a carga do 
sistema aumenta.
Apesar da produção de energia elétrica poder 
ser limitada pelos usos múltiplos da água, como por 
exemplo, irrigação, navegação, controle de inundações e 
suprimento de água, estas usinas, ao contrário das centrais 
termoelétricas (que geram energia de uma forma quase 
estável devido a perdas por calor), podem facilmente:
 Aumentar a potência de pico, ampliando a 
quantidade de água que passa pela turbina;
 Aumentar a produção total de energia, realizando 
um correto gerenciamento dos reservatórios (o Brasil já faz 
isto – a água escoada por um reservatório gera energia na 
próxima usina)
Infelizmente devido as mudanças climáticas esta 
vantagem competitiva das hidroelétricas está se esvaindo, 
porque atualmente a previsão das chuvas está contrariando 
as previsões históricas, ou seja, o nível dos reservatórios 
está sendo fortemente afetado pelas mudanças climáticas, 
dificultando o aumento na produção de energia da forma 
rápida com que era feito no passado com os reservatórios 
cheios. 
As usinas hidroelétricas também providenciam 
reserva girante para situações de emergência ocorridas no 
sistema, ou seja, elas que suprem os picos de demanda. 
Como nossas usinas geram grandes quantidades de 
energia elas apresentam economia de escala, ou seja, esse 
custo marginal do aumento da capacidade de geração é 
mínimo graças aos lagos que formam a maioria de nossas 
hidroelétricas. 
Com a entrada de pequenas centrais de energia, 
o sistema brasileiro também passou a ter uma maior 
Energias Renováveis 35
flexibilidade para mudar rapidamente a quantidade de 
energia gerada, por exemplo elas são acionadas em 
eventos importantes como a transmissão de uma final de 
copa do mundo, as olímpiadas, uma final de novela ou em 
dias muito quentes. Assim podemos atender essa demanda 
extra sem maiores complicações. 
As usinas hidroelétricas garantem a energia firme 
ao sistema (aquela energia que é pré-contratada com 
segurança baseada no hábito de consumo anterior do 
consumidor e do aumento de crescimento do país. 
Como todo o ciclo hidrológico de água doce do mundo 
é resultada da precipitação e da evaporação das águas dos 
mares, lagos e rios, o processo dessa transferência de água 
é melhor supervisionado com a instalação de represas. 
Antes da instalação das usinas as cheias dos rios ocorriam 
sem o controle humano, o que provocava muitas perdas 
e prejuízo na agricultura e em cidades ribeirinhas. Agora 
as pessoas podem ser avisadas e retiradas a tempo caso 
ocorra uma cheia excessiva e os ciclos normais de cheias 
dos rios são amplamenteconhecidos e divulgados. 
Outra vantagem das represas é o constante 
monitoramento da qualidade da água feito pelas 
barragens, o que pode detectar eventuais contaminações 
e problemas, inclusive com a fauna local. Acidentes que 
demoravam muito tempo para serem percebidos agora 
graças ao monitoramento feito nas barragens isto ocorre 
quase que instantaneamente. 
Aspectos econômicos sobre a geração 
hidroelétrica
Nosso sistema elétrico é um misto entre as 
usinas hidroelétricas construídas há mais de 20 anos 
(e já amortizadas) e as usinas que foram construídas 
recentemente (como as do Rio Madeira) que estão 
Energias Renováveis36
iniciando o seu processo de amortização. O Operador 
Nacional do Sistema (ONS) é o responsável por gerenciar 
estes interesses divergentes. Se forem acionadas somente 
as usinas amortizadas o custo da geração de energia seria 
mais barato, mas este fato afastaria todos os investidores 
que têm colocado dinheiro para construir as novas usinas 
que nosso país necessita para não corrermos o risco de 
um novo apagão. Ao contrário, se todas as usinas com 
obras concluídas recentemente forem acionadas primeiro, 
o custo da energia para o consumidor será muito caro, 
desestimulando o consumo.
Este mix é feito tentando equalizar estes dois objetivos 
conflitantes, a ONS faz o mesmo para todas as usinas em 
operação no país e todas as matrizes energéticas. Deste 
modo a ONS chega a um custo otimizado que remunere 
adequadamente os investidores e que o consumidor possa 
arcar. Quando as empresas conseguem gerar mais energia 
do que a garantida junto à ONS elas podem vender o 
excedente no MAE (Mercado Atacadista de Energia). 
Esta equação ainda não está considerando um 
valor mais atrativo para o kWh gerado por energias 
renováveis do que o mesmo valor para o kWh gerado por 
combustíveis fósseis. O futuro deste mercado, em tempos 
de aquecimento global chegando a níveis críticos é que 
os países encontrem uma maneira de considerar este 
valor como uma moeda de troca internacional. Um esboço 
desta ideia é o mercado de créditos de carbono. As usinas 
térmicas à biomassa já estão se candidatando e recebendo 
os créditos graças a seu processo de balanço energético 
zero. No futuro, as usinas hidroelétricas, solares e eólicas 
também encontrarão uma maneira de se creditar, pois estas 
tecnologias não contribuem para o efeito estufa quando as 
usinas são construídas dentro de parâmetros que mitiguem 
o problema ambiental.
Energias Renováveis 37
A descoberta de novas tecnologias irá auxiliar a 
expansão do setor hidroelétrico no país. Dominamos a 
tecnologia da instalação de pequenas centrais hidroelétricas 
(PCHs) e muitos proprietários de pequenas quedas d’água 
já perceberam a viabilidade econômica da instalação de 
uma usina em sua propriedade. O aumento no número 
de linhas de transmissão também aumentou a viabilidade 
econômica da instalação de uma PCH devido a diminuição 
no custo de interconexão desta usina com o sistema de 
potência. 
Energias Renováveis38
BIBLIOGRAFIA
Dos Reis, L. B. Geração de energia elétrica. 3ª Edição 
revisada, ampliada e atualizada. Baureri/SP, Editora Manole, 
2017.
Editado por Gómez-Expósito, A., Conejo, A. J. & 
Cañizares, C. Sistemas de Energia Elétrica – Análise 
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Stevenson Jr., W. D. Elementos de análise de sistemas 
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J. P & Ansuj, S. 2ª Edição, McGraw-Hill, São Paulo/SP, 1986.
Zanetta Jr., L. C. Fundamentos de sistemas elétricos 
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