Geração hidrelétrica

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DEVRY

David Eli Melo

13/11/2017

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FACULDADE DEVRY SÃO LUÍS
ENEGENHARIA ELÉTRICA

ANTONIO RAFAEL DE MOURA BRAGA
DAVID ELI DA SILVA MELO
LUIS FELIPE GOMES BRITO
LUIS FERNANDO GOMES BRITO
VINÍCIUS NATHAN MARTINS

GERAÇÃO DE ENERGIA HIDRELÉTRICA E MAREMOTRIZ

SÃO LUÍS
2017
ANTONIO RAFAEL DE MOURA BRAGA
DAVID ELI DA SILVA MELO
LUIS FELIPE GOMES BRITO
LUIS FERNANDO GOMES BRITO
VINÍCIUS NATHAN MARTINS

GERAÇÃO DE ENERGIA HIDRELÉTRICA E MAREMOTRIZ

Trabalho apresentado ao curso de
engenharia elétrica, da Faculdade DeVry
São Luís. Como requisito parcial para
obtenção da nota da AP2 na disciplina de
Introdução aos Sistemas de Potência.

Orientador: Prof. Me. Sidney Nascimento
Cerqueira Junior.

SÃO LUÍS
2017
LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Gráfico 1 – Capacidade Instalada ......................................................................... 10
Gráfico 2 – Geração de Energia ............................................................................ 11
Figura 1 – Balanço de Energia no SIN .................................................................. 12
Gráfico 3 – Curva da geração hidráulica ............................................................... 13
Gráfico 4 – Curva da geração térmica ................................................................... 13
Figura 2 – Geração de energia elétrica ................................................................. 14
Figura 3 – Ilustração de uma UHE ........................................................................ 15
Figura 4 – Componentes da UHE ......................................................................... 15
Figura 5 – Vertedouro ........................................................................................... 16
Figura 6 – Sistema de captação e água ................................................................ 17
Figura 7 – A usina hidrelétrica de Tucuruí ............................................................. 19
Figura 8 – Usina Hidrelétrica gerando energia elétrica ......................................... 20
Figura 9 – Usina Hidrelétrica usando energia elétrica ........................................... 20
Figura 10 – Usina Traição – SP ............................................................................ 21
Figura 11 – Usina de Itaipu ................................................................................... 22
Figura 12 – PCH Flor do Sertão - SC .................................................................... 23
Figura 13 – Da esquerda para direita [...]: Pelton, Francis, Francis e Kaplan ....... 24
Figura 14 – Turbinas Pelton .................................................................................. 25
Figura 15 – Turbina Pelton com 1 injetor .............................................................. 26
Figura 16 – Turbina Pelton com 6 injetores ........................................................... 26
Figura 17 – Turbina Francis dentro do duto Caracol ............................................. 27
Figura 18 – Detalhes da Turbina Francis .............................................................. 27
Figura 19 – Sentido do fluxo da água na Turbina Francis ..................................... 28
Figura 20 – Turbina Francis ................................................................................. 28
Figura 21 – Comparação de Turbinas: a) Francis e b) Kaplan .............................. 29
Figura 22 – Turbina Kaplan ................................................................................... 29
Figura 23 – Direção do Fluxo na Turbina Kaplan ................................................. 29
Figura 24 – Turbina Bulbo ..................................................................................... 30
Gráfico 5 – Gráfico de atuação de cada turbina, altura por vazão e sua potência 31
Figura 25 – Usina de ondas no Ceará ................................................................... 34
Figura 26 – Efeito das marés ................................................................................ 34
Figura 27 – Da esquerda temos a maré baixa e na direita uma maré alta. ........... 35
Figura 28 – Geração de energia elétrica pelo fluxo das marés ............................. 35
Figura 29 – Aproveitamento da energia das correntes marítimas ......................... 37

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica.
EPE Empresa de Pesquisa Energética.
GWh Gigawatt-hora.
kW Quilowatt.
MW Megawatt.
ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico.
PCH Pequena Central Hidrelétrica.
SIN Sistema Interligado Nacional.
UHE Usina Hidrelétrica.

LISTA DE SÍMBOLOS

P – potência elétrica gerada, em (kW)
η𝑡 – rendimento total do aproveitamento
ρ – massa específica da água, em (kg/m³)
Q – vazão. Em (m³/s)
g – aceleração da gravidade, em (m/s²)
H – queda líquida, em (m)
ηh– rendimento do circuito hidraulico
η𝑡 – rendimento da turbina
η𝑔 – rendimento do gerador, transformador e serviços auxiliares
FC – fator de capacidade, em (%)
Pm – potência média gerada, em (kW)
Pi – potência instalada, em (kW)
Eel – energia elétrica gerada, em (kWh)
Pi – potência instalada, (kW)
t – tempo, em (h)

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 08
2 DESENVOLVIMENTO ....................................................................................... 09
2.1 O SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO............................................................ 09
2.1.1 O Sistema Interligado Nacional ................................................................. 11
2.2 SEQUÊNCIA DA GERAÇÃO HIFRELÉTRICA ................................................ 14
2.3 ESTRUTURA DE UM USINA HIDRLÉTRICA ................................................. 15
2.4 TIPOS DE USINAS HIDRELÉTRICAS ............................................................ 18
2.5 TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS............................................................ 24
2.6 ESTUDOS ENERGÉTICÓS ............................................................................ 31
2.7 MAREMOTRIZ ................................................................................................ 33
2.7.1 Energia das ondas...................................................................................... 33
2.7.2 Energia das marés ..................................................................................... 34
2.7.3 Energia das correntes marítimas .............................................................. 37
3 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... 38
REFERÊNCIAS ..................................................................................................... 38
ANEXOS ............................................................................................................... 43

1 INTRODUÇÃO

A produção de energia elétrica pelas UHEs (Usinas Hidrelétricas) é
considerada limpa e renovável, ou seja, não gera poluição e é inesgotável. Mas para
a construção da
UHE causa impactos na natureza.
Uma usina hidrelétrica pode ser definida como um complexo arquitetônico ou
conjunto de obras e de equipamentos, que tem finalidade de produzir energia
elétrica através do potencial hidráulico existente em um rio. Basicamente, a vazão do
rio em que a usina está instalada será usada para acionar turbinas e gerar energia
elétrica para abastecimento de industrias e cidades (KLOSOWSKI).
Como se trata de uma obra muito complexa que envolve vários cálculos, a
viabilidade técnica de cada usina deve ser avaliada de modo particular (TODA
MATÉRIA). Cada usina é única pelo ambiente em que se encontra, seja pelo clima,
pelo relevo, pela vazão do rio, desnível do mesmo, tamanho do leito, área de água
represada. Mesmo com essa diversidade de usinas, elas possuem características
comuns entre si, que irão ser abordadas mais adiante no trabalho.
As matrizes renováveis de energia têm uma série de vantagens: a
disponibilidade de recursos, a facilidade de aproveitamento e o fato de que
continuam disponíveis na natureza com o passar do tempo. De todas as fontes deste
tipo, a hidrelétrica representa uma parcela significativa da produção mundial, cerca
de 16% de toda a eletricidade gerada no planeta (PORTAL BRASIL).
O potencial técnico de aproveitamento da energia hidráulica do Brasil está
entre os cinco maiores do mundo; o País tem 12% da água doce superficial do
planeta e condições adequadas para exploração. O potencial hidrelétrico é estimado
em cerca de 260 GW, dos quais 40,5% estão localizados na Bacia Hidrográfica do
Amazonas – para efeito de comparação, a Bacia do Paraná responde por 23%, a do
Tocantins, por 10,6% e a do São Francisco, por 10%. Contudo, apenas 63% do
potencial foi inventariado (PORTAL BRASIL). E apenas em terço foi desenvolvido
(PEREIRA).
Além desse grande potencial, há um grande mar, literalmente falando, de
possibilidades a ser explorado.

2 DESENVOLVIMENTO

2.1 O SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO

O sistema elétrico brasileiro é constituído fundamentalmente pela geração
hidrelétrica, complementado por usinas térmicas e fontes alternativas, entre as quais
se destacam a energia eólica, e a biomassa (MME).
A opção do governo de priorizar a hidroeletricidade é justiçada por uma série
de fatores. Em primeiro lugar, as características naturais do Brasil facilitam o
investimento em hidrelétricas, uma vez que o relevo brasileiro é composto
predominantemente por montanhas e planaltos, o que contribui para a formação de
rios com queda d’água; o clima brasileiro, com exceção do Nordeste, é bastante
chuvoso, o que permite que haja um grande fluxo de água nos rios nacionais
(Souza, 2008). Além disso, a hidroeletricidade é uma fonte de energia que não está
vulnerável a oscilações constantes de preços e nem a interrupções do fornecimento,
como é o caso do petróleo (PEREIRA).
No Gráfico 1 conta com dados atualizados do mês de setembro de 2017,
mostrando em Megawatt (MW) a capacidade de geração de energia instalada no
SIN (Sistema Interligado Nacional). No Gráfico 1a percebe-se que o subsistema
Sudeste/Centro-Oeste representa mais da metade da capacidade instalada, devido
a essa região ter seu potencial energético bastante explorado e no Gráfico 1b cerca
de 69% da capacidade de geração de energia é pelas UHEs.

Gráfico 1 – Capacidade Instalada

Fonte: ONS

O Gráfico 2 mostra a geração de energia em Gigawatt-hora (GWh) em um
período de 1 de agosto de 2017 a 31 de agosto de 2017. No Gráfico 2a além de
mostrar que o subsistema Sudeste/Centro-Oeste gera quase 60% de toda energia
do país, mostra também que o subsistema Norte apesar do grande potencial
hidrelétrico é a gera menos, justamente pela recente exploração de suas bacias e a
recente rigorosidade das leis ambientais. Já no Gráfico 2b a energia hidráulica
corresponde a aproximadamente 61% de toda a energia gerada no SIN, seguida
pela térmica de 27%.

Gráfico 2 – Geração de Energia

Fonte: ONS

2.1.1 O Sistema Interligado Nacional

O sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil é um
sistema hidro-termo-eólico de grande porte, com predominância de usinas
hidrelétricas e com múltiplos proprietários. O SIN é constituído por quatro
subsistemas: Sul, Sudeste/Centro-Oeste, Nordeste e a maior parte da região Norte
(ONS).
Vê-se na Figura 1, com dados de 4 de outubro de 2017, o balanço de
energia no SIN, com os valores em (MW). O SIN detém cerca de 99% da
capacidade total de produção de energia elétrica do país, os outros 1% é pelos
sistemas isolados. Roraima não está no SIN ainda.

Figura 1 – Balanço de Energia no SIN

Fonte: ONS

A interconexão dos sistemas elétricos, por meio da malha de transmissão,
propicia a transferência de energia entre subsistemas, permite a obtenção de
ganhos sinérgicos e explora a diversidade entre os regimes hidrológicos das bacias.
A integração dos recursos de geração e transmissão permite o atendimento ao
mercado com segurança e economicidade (ONS).

A capacidade instalada de geração do SIN é composta, principalmente, por
usinas hidrelétricas distribuídas em dezesseis bacias hidrográficas nas diferentes
regiões do país. Nos últimos anos, a instalação de usinas eólicas, principalmente
nas regiões Nordeste e Sul, apresentou um forte crescimento, aumentando a
importância dessa geração para o atendimento do mercado. As usinas térmicas, em
geral localizadas nas proximidades dos principais centros de carga, desempenham
papel estratégico relevante, pois contribuem para a segurança do SIN como pode-se
observar no Gráfico 4 a geração ocorre de maneira praticamente linear. Essas
usinas são despachadas em função das condições hidrológicas vigentes, permitindo
a gestão dos estoques de água armazenada nos reservatórios das usinas
hidrelétricas, para assegurar o atendimento futuro, como pode ser observado no
gráfico 3 a geração hidráulica sofre variações. Os sistemas de transmissão integram
as diferentes fontes de produção de energia e possibilitam o suprimento do mercado
consumidor (ONS).
Gráfico 3 – Curva da geração hidráulica

Fonte: ONS

Gráfico 4 – Curva da geração térmica
Fonte: ONS
2.2 SEQUÊNCIA DA GERAÇÃO HIDRÉLETRICA

Figura 2 – Geração de energia elétrica

Fonte: Toda matéria

1. A energia potencial gravitacional que se converte em energia cinética é obtida pelo
represamento da água;
2. Esse represamento provoca a pressão que converte energia hidráulica em energia
mecânica;
3. Essa energia mecânica é transferida para a turbina hidráulica que será convertida
em energia elétrica;
4. A energia elétrica produzida é transmitida para uma ou mais linhas de transmissão,
interligadas à rede de distribuição;
5. Porém, parte dessa energia é "perdida" sob a forma de calor que aquece a linha de
transmissão.

2.3 ESTRUTURA DE UMA USINA HIDRELÉTRICA

Figura 3 – Ilustração de uma UHE

Fonte: Objetos educacionais 2

A estrutura da usina é composta, basicamente, por:
Barragem, vertedouro, sistema de captação de água, conduto forçado, casa
de força, subestação elevadora e canal de fuga, que funcionam em conjunto e de
maneira integrada como mostra a Figura 4.

Figura 4 – Componentes da UHE

Fonte: Objetos educacionais 2
Barragem

A barragem tem por objetivo interromper
o curso normal do rio e permitir a
formação do reservatório. Além de “estocar” a água, esses reservatórios têm outras
funções: permitem a formação do desnível necessário para a configuração da
energia hidráulica, a captação da água em volume adequado e a regularização da
vazão dos rios em períodos de chuva ou estiagem. Algumas usinas hidroelétricas
são chamadas “a fio d’água”, ou seja, próximas à superfície e utilizam turbinas que
aproveitam a velocidade do rio para gerar energia. Essas usinas fio d’água reduzem
as áreas de alagamento e não formam reservatórios para estocar a água ou seja, a
ausência de reservatório diminui a capacidade de armazenamento de água
(ANEEL).

Figura 5 – Vertedouro

Fonte: Mundo bordado

Vertedouro

O Vertedouro então regula o nível de um reservatório em relação ao nível da
barragem e evita que a barragem seja danificada. O vertedouro pode ou não estar
incorporado ao corpo da barragem principal. Libera da água sem passagem pela
casa da força. Nos períodos de cheias, possibilita o controle do nível da água do
lago (reservatório). Pode ter ou não comportas. A figura 5 é um exemplo vertedouro
com comporta.

Figura 6 – Sistema de captação e água

Fonte: Mundo bordado

Sistema de captação de água

Responsável pela captação da água para fazer girar a turbina equipada com
comportas de fechamento e grades de proteção. (proteção contra a passagem de
elementos estranhos pela turbina) (CIDE). A Figura 6 mostra um sistema da
captação de água, com o reservatório seco.

Conduto forçado

É a canalização/tubulação que conduz água da barragem, sob pressão,
para as turbinas. Podem ser externos ou subterrâneos (CIDE). Os sistemas de
captação e adução são formados por túneis, canais ou condutos metálicos que têm
a função de levar a água até a casa de força.

Casa de Força/ de máquinas

Local de onde se opera a usina. Neste local são instalados os geradores, as
turbinas e equipamentos auxiliares (CIDE).
É nesta instalação que estão as turbinas, formadas por uma série de pás ligadas a
um eixo conectado ao gerador. Durante o seu movimento giratório, as turbinas
convertem a energia cinética (do movimento da água) em energia elétrica por meio
dos geradores que produzirão a eletricidade. Depois de passar pela turbina, a água
é restituída ao leito natural do rio pelo canal de fuga (ANEEL).

Subestação Elevadora

Instalações onde se recebe a energia elétrica gerada pela usina,
transformando-a em alta tensão, para diminuir as perdas no transporte pelas linhas
de transmissão a grandes distâncias, já que nesse percurso perde-se certa
quantidade de energia.

Canal de Fuga

Depois de passar pela casa de força, a água utilizada para movimentar as
turbinas é devolvida ao leito natural do rio através do canal de fuga, como mostra a
Figura 3.

2.4 TIPOS DE USINAS HIDRELÉTRICAS

USINAS HIDRELÉTRICAS DE ACUMULAÇÃO

Usinas que contam com reservatórios de regularização, um exemplo a usina
de Tucuruí representada na Figura 7, geralmente localizados na cabeceira dos rios,
em locais de altas quedas d’água, dado o seu grande porte permitem o acúmulo de
grande quantidade de água em épocas de cheias e funcionam como estoques a
serem utilizados em períodos de estiagem. Além disso, como estão localizados a
montante das demais hidrelétricas, regulam a vazão da água que irá fluir para elas,
de forma a permitir a operação integrada do conjunto de usinas.
Este acúmulo permite fazer com que as turbinas trabalhem sempre em sua
zona máxima de produção, resultando em menor ociosidade e custo. Por outro lado,
teoricamente essas usinas tem maior custo de produção e impacto ambiental.
Em períodos de forte regime de chuvas ela evita enchentes e na estiagem ela
minimiza os efeitos da seca.
Quanto maior o reservatório, maior o estoque de energia. E essa capacidade
vem caindo rapidamente. Este ano, os reservatórios quando cheios podem manter,
sem chuvas, as turbinas funcionando por 5,4 meses. Em 2021, essa relação cai para
3,35 meses. No passado, a capacidade de regularização chegava a anos (CBDB).
Essa queda se deve ao fato de o crescimento do consumo não ter sido
acompanhado de um aumento nas acumulações hidrelétricas. O principal motivo é a
construção na última década quase exclusivamente de usinas a fio d’água – sem
reservatório de acumulação. A escolha se deve a limitações geográficas e também
por imposição ambiental. A raiz dessa decisão é que a maior parte do potencial
hidrelétrico nacional ainda não aproveitado está localizada na região da Amazônia,
que é plana – não favorecendo o alagamento – e, obviamente, extremamente
sensível do ponto de vista ambiental (CBDB).

Figura 7 – A usina hidrelétrica de Tucuruí

Fonte: Ordoñez

USINAS HIDRELÉTRICAS COM ARMAZENAMENTO POR BOMBEAMENTO OU
COM REVERSÃO

Figura 8 – Usina Hidrelétrica gerando energia elétrica

Fonte: Voith

Figura 9 – Usina Hidrelétrica usando energia elétrica

Fonte: Voith

Estas usinas utilizam dois reservatórios de água em sua estrutura. O maior
destes reservatórios fica a montante, da mesma maneira com que ocorre nas usinas
de acumulação, o segundo reservatório, menor, fica a jusante.
É feita uma ligação entre estes dois reservatórios para que a água do reservatório
inferior possa ser bombeada de volta para o superior quando for conveniente,
portanto, esta água poderá passar duas ou mais vezes pelas turbinas.
O funcionamento ocorre da seguinte forma Em tempos de alta demanda
energética ocorre a liberação da água do reservatório superior, que passa pelas
turbinas e fica depositado no reservatório inferior, como mostrado na Figura 8.
Quando a demanda energética diminui, parte da energia gerada pela usina é
utilizada para alimentar a bomba que transporta a água de volta para o reservatório
superior, como se vê na Figura 9, mantendo estável a produção de energia. Desta
forma, as secas passam a não afetar este tipo de usina.
A construção deste tipo de usina deve ser feita em locais que tem declividade
correta par que se possam ser feitos os dois reservatórios. Em função do custo da
obra, estas usinas são menos utilizadas que as usinas de acumulação e fio d’água.

Figura 10 – Usina Traição – SP

Fonte: Argosfoto

USINAS A FIO D'ÁGUA

Usinas hidrelétricas “a fio d’água” são aquelas que não dispõem de
reservatório de água, ou o têm em dimensões menores do que poderiam ter. Nestes
casos, a produção de energia fica refém da vazão do rio, ou seja, da quantidade de
precipitação do período. Tem menos problemas socioambientais na região onde são
construídas sendo mínima a inundação de terras vizinhas ao leito do rio e sua
hidrologia.
Quando isto ocorre, as vazões podem ser menores que a capacidade das
turbinas, ocasionando ociosidade. Esta limitação faz com que o preço da energia
produzida por usinas fio d’água seja maior do que as produzidas por grandes usinas
de acumulação.
Em geral, estas estruturas são instaladas em pequenos ou médios rios que
tenham grandes desníveis em seu percurso, visto que, a produção de energia
é proporcional à vazão e a altura de queda.
Primeiramente, deve-se considerar que a energia “gerada” por uma
hidrelétrica resulta da transformação da “força” do movimento da água. Transforma-
se, assim, em energia elétrica, a energia cinética decorrente da ação combinada
da
vazão de um rio e dos desníveis de relevo que ele atravessa. Desse modo, não
restam dúvidas de que, para o processo, guardar água significa guardar energia.
O Relatório de Impacto Ambiental (Rima) de Belo Monte diz que quando a
hidrelétrica estiver cheia "vai ser possível guardar água nos reservatórios das usinas
em outras regiões do país. Com os reservatórios cheios, essas usinas vão gerar
mais energia quando Belo Monte estiver gerando pouca energia (na seca)".
Os projetos hidrelétricos que, nos últimos anos, passaram por uma série de
transformações de engenharia a fim de atender as exigências ambientais sendo a
principal, a redução ou quase total desaparecimento dos reservatórios de água.

Figura 11 – Usina de Itaipu

Fonte: Mirante hotel

Na Itaipu, a barragem serve, principalmente, para produzir o desnível
necessário para o acionamento das turbinas, já que seu reservatório tem pequeno
volume quando comparado com a vazão do rio (a usina é a fio d’agua) (ITAIPU).
Pequenas Centrais Hidrelétricas

Uma Pequena Central Hidrelétrica (PCH) é uma usina de pequeno porte
que produz energia elétrica utilizando-se das águas do rio. Esta energia
hidrelétrica é considerada uma fonte de energia renovável, limpa e permanente,
que não produz gás de efeito estufa. Uma usina é considerada PCH por causa da
sua potência instalada e do tamanho do seu reservatório. De acordo com a
Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), para ser considerada uma PCH
deve ter uma potência entre 1 MW e 30 MW com área de reservatório inferior a
3km².

Figura 12 – PCH Flor do Sertão - SC

Fonte: Bucagrans

Em geral, PCHs são usinas fio d’água, ou seja, sem reservatório como se
pode observar na Figura 12.
Como já foi comentado anteriormente, estas usinas não permitem que o fluxo seja
regularizado, causando períodos de ociosidade ou perda de água pelo vertedor
(KLOSOWSKI).
Existem vantagens propostas pelo Governo Federal para a construção deste
tipo de usina. A ANEEL permite que a energia gerada em PCHs que entraram em
operação até 2003 entre no sistema de eletrificação sem que o empreendedor tenha
que pagar as taxas pelo uso da rede. Estas usinas ainda não são obrigadas a
remunerar municípios e estados pelo uso dos recursos hídricos (KLOSOWSKI).

2.5 TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS

As turbinas são equipamentos cujo movimento giratório provocado pelo fluxo
d’água faz girar o rotor do gerador, fazendo com que o deslocamento do campo
magnético produza energia elétrica.
Os diversos modelos de turbinas existentes são capazes de cobrir uma
vasta gama de condições operacionais, permitindo, portanto projetar arranjos
hidrelétricos em montanhas, rios ou estuários. Esta diversificação abrange três tipos
básicos dominantes: turbina de fluxo misto (Francis), turbina de fluxo axial (Kaplan)
e turbina de fluxo tangencial Pelton. Podem ser classificadas em dois grupos:

Turbinas hidráulicas de ação

Em turbinas de ação a energia hidráulica disponível é transformada em
energia cinética para, depois de incidir nas pás do rotor, transformar-se em
mecânica. Um exemplo desta turbina é a Pelton.

Turbinas hidráulicas de reação

Já em turbinas de reação, o rotor é completamente submergido na água,
com o escoamento da água ocorre uma diminuição de pressão e velocidade entre a
entrada e a saída do rotor. As principais turbinas de reação são: Francis, Kaplan e
bulbo.

Figura 13 – Da esquerda para direita temos os respectivos rotores da turbina: Pelton, Francis, Francis
e Kaplan

Fonte: Wikipédia

Pelton

Este modelo de turbina opera com velocidades de rotação maiores que os
outros. Caracteriza-se por um rotor com pás em formato de conchas, como pode-se
observar na Figura 14b e a turbina em si na Figura 14c, e por uma tubulação de
adução que alimenta um ou mais injetores. A posição do eixo pode ser vertical ou
horizontal.
Este tipo de turbina é projetado para operar em altas quedas e baixas vazões.
Os jatos de água provenientes dos injetores ao chocarem com as pás do
rotor (em forma de dupla colher) através de um jato tangencial, como se vê na figura
14a geram o impulso que faz com que a roda se mova.

Figura 14 – Turbinas Pelton

Fonte: Learn Engineering e HISA

Dependendo da potência que se queira gerar podem ser acionados de um a
seis simultaneamente, a Figura 16 mostra a turbina com seis injetores, igualmente
espaçados angularmente para garantir um balanceamento dinâmico do rotor. Para
controlar o escoamento nos injetores, dentro destes está instalada uma agulha
(semelhante a uma válvula) e fora, o defletor. Após a água bater nas pás é recolhida
para um canal de restituição, para que seja reaproveitada, como pode ser visto na
Figura 15.

Figura 15 – Turbina Pelton com 1 injetor

Fonte: OLX

Figura 16 – Turbina Pelton com 6 injetores

Fonte: CEPA

Francis

Este modelo de turbina é o que permite sua instalação em maior faixa de
aplicação relacionado à queda/vazão. Na turbina Francis a água sob pressão entra
por um duto circular de secção transversal decrescente tipo caracol, no qual a Figura
17 mostra o seu exterior, onde é desviada por um conjunto de pás distribuidoras,
que pode ser notado nas Figuras 18 e 19 as quais guiam o líquido em um ângulo
adequado, aumentando o rendimento, a água entra nas pás do rotor Francis pela
periferia (radial, de fora para dentro), deixando o mesmo axialmente em relação ao
eixo na saída, pode ser melhor entendida olhando as figuras 19 e 20.
É largamente usado, é uma das mais difundidas e utilizadas no Brasil tanto
para grandes quanto para pequenas centrais hidrelétricas, pois possui a vantagem
de fornecer alta eficiência em uma faixa de operação.

Figura 17 – Turbina Francis dentro do duto Caracol

Fonte: HISA

Figura 18 – Detalhes da Turbina Francis

Fonte: Ramos

Figura 19 – Sentido do fluxo da água na Turbina Francis

Fonte: Dailynews

Figura 20 – Turbina Francis

Fonte: Learn Engineering

Kaplan

A única diferença entre as turbinas Kaplan e a Francis é o rotor que pode ser
visto na Figura 21, pois ele também se encontra num duto em forma e caracol
mostrando na Figura 22. Este assemelha-se a um propulsor de navio (similar a uma
hélice), geralmente com 4 a 5 pás móveis. Criada para trabalhar com baixas alturas
e grande volume, vantagem de pás podem ter inclinações variadas buscando uma
operação ótima. Direção do fluxo do fluido no rotor axial, mostrado na Figura 23.

Figura 21 – Comparação de Turbinas: a) Francis e b) Kaplan

Fonte: Directindustry E Learn Engineering

Figura 22 – Turbina Kaplan

Fonte: Nelli Silva

Figura 23 – Direção do Fluxo na Turbina Kaplan

Fonte: Learn Engineering
É adequada para operar entre quedas até 60 m. Contudo, deve-se salientar,
que é aquela que apresenta o maior custo em relação ao kW (Quilowatt) instalado,
quando comparada com as tradicionais, Francis simples e Pelton.

Bulbo

A turbina bulbo (ou bolbo) é uma turbina Kaplan conectada diretamente pelo
eixo a um gerador, que é envolto por uma
cápsula hermética. O conjunto fica imerso
no fluxo d'água como mostra a Figura 24.
Cada turbina é adaptada para funcionar em usinas com determinada faixa
de altura de queda e vazão como é mostrado no Gráfico 5. A turbina tipo Bulbo é
usada nas usinas fio d’água por ser indicada para baixas quedas e altas vazões, não
exigindo grandes reservatórios.

Figura 24 – Turbina Bulbo

Fonte: Bastos

Gráfico 5 – Gráfico de atuação de cada turbina, altura por vazão e sua potência
Fonte: Alibaba

2.6 ESTUDOS ENERGÉTICOS

A potência disponível em um aproveitamento hidrelétrico é resultado de
energia potencial da água, podendo ser expressa conforme a fórmula (QUEIROZ,
2010):
Na prática, os valores de energia e potência elétricas extraídos da água
são inferiores devido às perdas nos diversos equipamentos envolvidos no
processo de conversão da energia potencial da água em energia elétrica,
conforme a Fórmula 1.

P = η𝑡 ∗ ρ ∗ Q ∗ g ∗ H (Fórmula 1)

Onde:
P = potência elétrica gerada, em (kW);
η𝑡 = rendimento total do aproveitamento = ηh ∗ η𝑡 ∗ η𝑔;
ρ = massa específica da água, em (kg/m³);
Q = vazão. Em (m³/s);
g = aceleração da gravidade, em (m/s²);
H = queda líquida, em (m).
ηh= rendimento do circuito hidraulico
η𝑡 = rendimento da turbina
η𝑔 = rendimento do gerador, transformador e serviços auxiliares.

Uma UHE, ao longo de um período analisado, poderá gerar energia elétrica
inferior à sua capacidade, em decorrência de vazões no curso da água inferiores à
máxima turbinada (QUEIROZ, 2010). Um índice amplamente utilizado no setor é o
fator de capacidade (FC), o qual relaciona a energia de fato gerada pela hidrelétrica
com a energia que seria gerada caso houvesse plena disponibilidade da vazão
máxima turbinada. Indica a adequação entre a vazão de projeto da usina e as
vazões efetivamente disponíveis (THIAGO FILHO, 2008), sendo calculado através
da fórmula 2:

FC =
Pm
Pi
∗ 100 (Fórmula 2)

Onde:
FC = fator de capacidade, em (%);
Pm = potência média gerada, em (kW);
Pi = potência instalada, em (kW);

Em geral, usinas a fio d’água têm baixos “fatores de capacidade”. O fator de
capacidade é uma grandeza adimensional obtida pela divisão da energia
efetivamente gerada ao longo do ano – em geral, medida em MWh/ano – pela
energia máxima que poderia ser gerada no sistema. Trata-se, portanto, de uma
medida da limitação da usina no que diz respeito à sua capacidade de gerar energia.

A energia elétrica gerada pode ser estimada pela formula 3 (QUEIROZ,
2010):

Eel = Pi ∗ t ∗ (
FC
100
) (Fórmula 3)

Onde:
Eel = energia elétrica gerada, em (kWh);
Pi = potência instalada, (kW);
t = tempo, em (h);
FC = fator de capacidade, em (%).

2.7 MAREMOTRIZ

A energia maremotriz pode ser aproveitada de três formas; das ondas, das
correntes marinhas e do movimento da maré.

2.7.1 Energia das ondas

É a energia gerada a partir do incessante movimento das ondas. A
transformação da energia das ondas em energia elétrica utilizará flutuadores na
base de braços mecânicos, instalados no quebra-mar do Porto de Pecém como
mostra a Figura 25. O movimento ondulatório fará a estrutura do braço de subir e
descer. Essa força será utilizada como uma bomba para impulsionar água tratada
por tubos. O processo cria uma grande pressão em uma câmara hiperbárica,
semelhante à de uma queda d’água de 400 metros. Em resumo: o movimento das
ondas bombeia a tubulação com água, que ganha força o suficiente para
movimentar uma turbina ligada a um gerador, que produz eletricidade (Calheiros).

Figura 25 – Usina de ondas no Ceará

Fonte: Pensamento Verde

2.7.2 Energia das marés

A energia das marés, também conhecida como energia maremotriz, é aquela
gerada a partir do potencial energético contido no fluxo das marés. É uma fonte de
energia renovável (não acaba), limpa (não gera poluição) e alternativa (SUA
PESQUISA).
O fluxo das marés decorrem da influências das forças gravitacionais
exercidas principalmente pela lua e também pelo sol sobre os oceanos. Quando a
lua está sobre um determinado ponto do mar, isto é, a um ângulo zero ou de 180
graus, teremos uma maré alta. Já quando está posicionada a 90 ou 270 graus,
teremos uma maré baixa como mostrado na Figura 26.

Figura 26 – Efeito das marés

Fonte: Astronomia Escola Espirita
Figura 27 – Da esquerda temos a maré baixa e na direita uma maré alta.

Fonte: Alunos online

Como é gerada?

Nos oceanos existem desníveis no solo abaixo da água. Instalando
barragens e um sistema de geradores é possível gerar energia elétrica. A água é
represada durante o período de maré alta num reservatório instalado no oceano
(geralmente próximo ao litoral). No período de maré baixa a água sai e movimenta
as turbinas. Um sistema de conversão possibilita a geração de eletricidade (SUA
PESQUISA), Como exemplificado na Figura 28.

Figura 28 – Geração de energia elétrica pelo fluxo das marés

Fonte: Profelectro

Como Funciona?

Assim, respeitando o ciclo das marés e após a construção de um tipo de
barragem com comportas e turbinas hidráulicas. Assim, há a formação de um
reservatório junto ao mar que, quando a maré é alta, o reservatório é preenchido e
rotacionado um tipo de uma turbina hidráulica que proporciona a produção de
energia elétrica (SEME).
Se a maré está baixa e, assim, a água deixa o reservatório, mesmo assim a
energia elétrica é produzida. O sentido em que a água entra não afeta a produção
de energia, desde que ela passe através das turbinas (PORTO GENTE).

Vantagens

 É uma fonte de energia limpa e renovável.
 É uma alternativa para países que por diversos motivos não podem gerar
energia elétrica através de outras formas.

Desvantagens

 Apesar de não requerer material muito sofisticado, a rentabilidade é afetada
pelo ciclo das marés. Além disso, há o preço da manutenção e construção
pelos materiais especiais que devem ser utilizados a fim de evitar e retardar
os efeitos corrosivos da água salgada;
 Como a produção depende do ciclo das marés, o fornecimento de energia
não é contínuo;
 Dependem muito das condições geográficas da região para sua construção.
Além das necessidades físicas, é preciso analisar a viabilidade econômica
um sistema que lide com o aproveitamento oceânico para a produção de
energia;
 Para que ela seja rentável é necessária uma amplitude de marés superior a 5
metros;
 Não permite a navegação e causa impactos ambientais nos oceanos,
afetando muitos habitats naturais e espécies. A interferência na vida dos
animais pode causar impactos econômicos, pois certas espécies
representam grande importância para a pesca comercial em muitos lugares.
(PORTO GENTE)

2.7.3 Energia das correntes marítimas

É uma forma de energia marinha obtida através do aproveitamento da
energia cinética das correntes marítimas como a corrente do Golfo. As correntes
marítimas são causadas principalmente pela alta e baixa das marés resultantes das
interações gravitacionais entre a Terra, a lua e o sol, fazendo com que todo o mar
flua. As turbinas marítimas têm poucos componentes: engrenagens de
posicionamento orientam as
lâminas das turbinas na direção da corrente marítima e
um gerador acoplado ao eixo da turbina fornece a energia elétrica. Necessita de
uma velocidade mínima da corrente, cerca de 1m/s variando com a tecnologia e é
semelhante à energia eólica.

Figura 29 – Aproveitamento da energia das correntes marítimas

Fonte: IFBAER

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Um dos principais motivos da maior fragilidade do sistema nacional está nas
restrições para construir hidrelétricas com reservatório. Por questões ambientais, as
grandes usinas que estão sendo construídas Brasil afora são a fio d’água e não têm
represa para guardar água, a exemplo das Hidrelétricas de Belo Monte, Jirau e
Santo Antônio. Isso significa que o País está perdendo capacidade de poupança
para suportar períodos com hidrologia desfavorável (PEREIRA).
O planejamento da expansão do setor elétrico, produzido pela Empresa de Pesquisa
Energética (EPE) prevê a diversificação da matriz da energia elétrica, historicamente
concentrada na geração por meio de fonte hidráulica. Um dos principais objetivos
desta decisão é reduzir a relação de dependência existente entre volume produzido
e condições hidrológicas (ou nível pluviométrico na cabeceira dos rios que abrigam
estas usinas). Há poucos anos, as hidrelétricas representavam cerca de 90% da
capacidade instalada no país. Em 2008, essa participação recuou para cerca de
74% (ANEEL). O fenômeno foi resultado da construção de usinas baseadas em
outras fontes (como termelétricas movidas a gás natural e a biomassa) em ritmo
maior que aquele verificado nas hidrelétricas (ANEEL).
A energia maremotriz é de uma potencialidade gigantesca. Se utilizarmos as forças
das marés, das ondas e da temperatura dos oceanos, isso proporcionaria muito mais
energia do que poderíamos gastar no futuro, mesmo considerando que o consumo
global duplica de dez em dez anos (PORTO GENTE).

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ANEXO A – Diagrama Esquemático das Usinas Hidroelétricas do SIN