Fontes Alternativas de Energia: PCHs

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FontesFontes alternativasalternativas
de de energiaenergia
Otimização econômica de implantação 
de PCHs
EXCEN ENERGIA
Prof.Dr.Rafael Balbino Cardoso
e-mail: cardosorb@excen.com.br
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Energia Hidráulica em PCHs
� Programa
1. Recurso hidroenergético
2. Classificação das PCHs
3. Arranjos de PCHs 
4. Componentes de PCHs
5. Turbinas Hidráulicas 
6. Determinação da vazão de projeto 
utilizando otimização econômica.
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Energia Hidráulica em PCHs
� Programa
1. Recurso hidroenergético
2. Classificação das PCHs
3. Arranjos de PCHs
4. Componentes de PCHs
5. Turbinas Hidráulicas 
6. Determinação da vazão de projeto 
utilizando otimização econômica.
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Figura 1: Distribuição de água no mundo
97%
3%
Mares e oceanos Água doce
77,2% - Geleiras
22,4% - Subsolo
0,36% - Lagos, rios, pântanos
0,04% - Atmosfera
Países com + H2O/habitante:
1°G. Francesa (736.260 m³)
2°Islândia (582.190 m³)
.
.
23°Brasil (45.570 m³)
•12% de toda água doce do 
mundo está no Brasil
•74% da água do Brasil 
encontra-se na região 
amazônica.
1. Recurso hidroenergético
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Figura 1: Fontes primárias para geração elétrica no 
Brasil (ANEEL, 2006)
70,3%
4,5%
10,4%
1,4%
3,5%
0,2%
1,9%
7,8%
Hídrica Petróleo Gás Carvão
Biomassa Eólica Nuclear Importação
As PCHs são responsáveis por 
apenas 1,35% do potencial 
instalado no Brasil.
1. Recurso hidroenergético
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O Mercado das PCHs no Brasil
Operação 
415 Usinas
1298.07 MW
Construção Outorgadas
35 Usinas
401.7 MW
209 Usinas
3407.1 MW
ANEEL, 2004
1. Recurso hidroenergético
7
100
83
64
61
60
55
45
37
21
18
16
11
6
4
1
24
0 20 40 60 80 100
França
Alemanha
Japão
Noruega
EUA
Suécia
Itália
Canadá
BRASIL
Índia
Colombia
China
Rússia
Perú
Indonésia
Congo
World Energy Council (1999);ANEEL (2002)
% Explorado do Potencial Hidroelétrico 
1. Recurso hidroenergético
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1. Recurso hidroenergético
Curva de duração ou permanência
A curva de duração ou permanência relaciona a 
vazão ou nível d’água de um rio com a probabilidade 
de ocorrerem valores iguais ou superiores. Ela pode 
ser estabelecida com base em valores diários, 
semanais ou mensais para todo o período da série 
histórica disponível.
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Medidas da queda bruta existente:
• Cartas topográficas
• Altímetros
• Teodolitos
• DGPS
• Nível de pedreiro
1. Recurso hidroenergético:
� Potencial hidrelétrico
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As µMC’s e mCH’s não 
participam de alguns 
benefícios que foram 
concedidos as PCH’s, 
como:
• PROINFA
• Livre acesso as redes de 
transmissão, com 
desconto
Aspectos institucionais das PCH’s
1. Recurso hidroenergético:
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Energia Hidráulica em PCHs
� Programa
1. Recurso hidroenergético
2. Classificação das PCHs
3. Arranjos de PCHs
4. Componentes de PCHs
5. Turbinas Hidráulicas 
6. Determinação da vazão de projeto 
utilizando otimização econômica.
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Há uma grande diferença entre as pequenas centrais 
hidrelétricas realmente pequenas e as quase grandes, 
sugerindo as seguintes categorias:
Micro Central Hidroelétrica(µµµµCH) : 1 à 100 kW
Mini Central Hidroelétrica (mCH) : 100 à 1000 kW
Pequena Central Hidroelétrica ( PCH) : 1MW à 30MW
2. Classificação das PCHs
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Na maioria dos países, as PCH’s estão limitadas a 10 
ou 15 MW. 
No Brasil entretanto, de acordo à Resolução ANEEL 
394/98, devem ser ter potencia maior que 1 MW e 
menor que 30 MW, com um reservatório de área total 
inferior a 3 km2.
A Resolução ANEEL 652/03 define os critérios e 
procedimentos para os casos em que a área do 
reservatório for superior a 3 km2, com mesmos limites 
de potência e modalidade de exploração.
2. Classificação das PCHs
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PCH’s quanto à Potência Instalada e Queda de Projeto
CLASSIFICAÇÃO 
DAS CENTRAIS
POTÊNCIA - P 
(kW) 
QUEDA DE PROJETO - Hd (m)
BAIXA MÉDIA ALTA
MICRO
MINI
PEQUENAS
P < 100
100 < P < 1.000 
1.000 < P < 30.000
Hd < 15 15 < Hd < 50 Hd > 50
Hd < 20 20 < Hd < 100 Hd > 100
Hd < 25 25 < Hd < 130 Hd > 130
2. Classificação das PCHs
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Energia Hidráulica em PCHs
� Programa
1. Recurso hidroenergético
2. Classificação das PCHs
3. Arranjos de PCHs 
4. Componentes de PCHs
5. Turbinas Hidráulicas 
6. Determinação da vazão de projeto 
utilizando otimização econômica.
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� Centrais Hidrelétricas de Desvio
A água de montante é desviada por 
um canal e depois devolvida ao 
mesmo rio.
� Centrais Hidrelétricas de 
Represamento
A adução à turbina é feita 
diretamente desde a tomada d’água 
na represa.
� Centrais Hidrelétricas de Derivação
O represamento desvia a água de 
uma bacia para outra, obtendo 
maior queda.
3. Arranjos de PCHs
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PCH’s quanto a capacidade de regularização do reservatório
� A Fio D’Água
Empregada quando as vazões de estiagem do rio são iguais ou 
maiores que a descarga necessária à potência a ser instalada 
para atender à demanda máxima prevista.
� De Acumulação
Empregada quando as vazões de estiagem do rio são inferiores 
à necessária para fornecer a potência para suprir a demanda 
máxima prevista e ocorrem com risco superior ao adotado no 
projeto.
3. Arranjos de PCHs
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Energia Hidráulica em PCHs
� Programa
1. Recurso hidroenergético
2. Classificação das PCHs
3. Arranjos de PCHs 
4. Componentes de PCHs
5. Turbinas Hidráulicas 
6. Determinação da vazão de projeto 
utilizando otimização econômica.
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� Basicamente uma Central Hidroelétrica é 
composta de:
� uma barragem
� um sistema adutor 
� uma casa de máquinas com um grupo 
gerador (turbina+gerador+regulador)
� um sistema de transmissão e/ou distribuição
4. Componentes de PCHs
20Esquema geral de uma Pequena Central Hidrelétrica
4. Componentes de PCH’s
21Pequena Central Hidrelétrica típica
4. Componentes de PCH’s
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Energia Hidráulica em PCHs
� Programa
1. Recurso hidroenergético
2. Classificação das PCHs
3. Arranjos de PCHs 
4. Componentes de PCHs
5. Turbinas Hidráulicas
6. Determinação da vazão de projeto 
utilizando otimização econômica.
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As turbinas hidráulicas podem ser: 
� de ação 
o escoamento através do rotor ocorre sem variação 
de pressão
� Pelton, Michel-Banki e Turgo
� de reação 
o escoamento através do rotor ocorre com variação 
de pressão
� Francis, Hélice, Kaplan, Bulbo
5. Turbinas Hidráulicas
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As turbinas hidráulicas 
são fabricadas em 
vários modelos e 
especificação.
São escolhidas em 
função das condições 
hidráulicas e 
topográficas da 
instalação.
5. Turbinas 
Hidráulicas
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Turbinas Pelton Elevados rendimentos
Altas quedas e vazões médias
Baixo custo
Muito difundida
5. Turbinas Hidráulicas
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Rendimento médio
Altas quedas e 
vazões baixas
Baixo custo
Pouco conhecida
Turbinas Turgo
5. Turbinas Hidráulicas
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Elevados rendimentos
Quedas e vazões médias
Custo mais alto
Fabricação mais difícil
Turbinas Francis
5. Turbinas Hidráulicas
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Rendimento médio a alto
Quedas médias, vazões baixas e médias
Baixo custo
Populares e fácil manutenção
Bombas funcionando como turbina (BFT):
Bombas centrífugas (Como BFT: 1,7 e 2,6 kW)
5. Turbinas Hidráulicas
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Rendimento médio e alto
Quedas baixas, médias 
e altas vazões
O mais alto custo
Construção elaborada
Turbinas Axiais
5. Turbinas Hidráulicas
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Energia Hidráulica em PCHs
� Programa
1. Recurso hidroenergético
2. Classificação das PCHs
3. Arranjos de PCHs 
4. Componentes de PCHs
5. Turbinas Hidráulicas 
6. Determinação da vazão de projeto 
utilizando otimização econômica.
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Passos a serem seguidos:
1. Levantamento da série histórica de vazões2. Levantamento da CPV (Curva de Permanência de 
Vazões) do curso d`água
3. Relacionamento da vazão de projeto com a potência 
instalada e vazão média com energia gerada
4. Utilização de um programa de otimização para a 
determinação da vazão ótima de projeto, de modo 
que o investidor obtenha o MBL ( Máximo Benefício 
Líquido).
6. Determinação da vazão de projeto 
utilizando otimização econômica
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Dada a série histórica de vazões consegue-se obter a 
CPV utilizando a função Percentil do EXCEL.
6. Determinação da vazão de projeto 
utilizando otimização econômica
100%
Q1
25
0%
0
15
10
5
20
10% 20% 30%
Q2
50
Q
 
(
m
³
/
s
)
30
35
45
40
60
55
65
50%40% 60% 80%70% 90%
Qproj (m³/s)
Q (m³/s)
Qexp 
45°
Qmax 
QMBL
CPV
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A vazão de projeto (Qp) está relacionada com os custos 
de implantação (Potência instalada) e a vazão média (Q) 
com o benefício gerado (Energia gerada).
6. Determinação da vazão de projeto 
utilizando otimização econômica
.H.
ηg.Q
=P[kW]
p
η
.H.T.
Qg.=E[kWh]
Onde:
g – aceleração da gravidade
Qp – vazão de projeto
H – Altura bruta (com relação ao eixo da turbina)
Q – Vazão média
T – Tempo de funcionamento
η η η η – Eficiência do grupo gerador 
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6. Determinação da vazão de projeto 
utilizando otimização econômica
Considerando o período de 1 ano para efeitos de análise 
econômica (T = 8760 horas), o investimento deve ser 
anualizado, para isso basta multiplicá-lo pelo FRC (Fator de 
Recuperação de Capital).
unitárioC.PI = Tarifa.EB =
FRC.ICanual =
Custo de investimento: Benefício:
( )
( ) 1i1
.ii1FRC
n
n
−+
+
= Logo: anualCBBL -=
Onde:
Cunitário – Custo unitário de implantação (R$/kW)
Tarifa – Tarifa de venda de energia (R$/kWh)
i – taxa de juros
n – período de pagamento
BL – Benefício líquido
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6. Determinação da vazão de projeto 
utilizando otimização econômica
A vazão de projeto que obtém o MBL, se dá no ponto de derivada 
igual a zero (ponto máximo):
Q(m³/s)
MBL (R$)
QMBL
0dQ
dBL
MBL ==
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As eficiências globais são da ordem de 50 % para os 
equipamentos de menor porte e atingem 85% nas 
máquinas maiores. Há espaços para o aperfeiçoamento 
dos sistemas de controle e regulagem e também para o 
desenvolvimento em equipamentos para baixas quedas.
A operação e a manutenção podem ser consideradas 
relativamente simples e de baixo custo. Já é corriqueira a 
operação não assistida, com religamento automatizado 
ou não.
Uma clara desvantagem é a especificadade dos projetos. 
Uma estimativa muito geral indica custos globais de 
instalação ao redor de U$ 1.080 (+/-230)/kW.
Eficiências e custos de PCH’s