Aula 03 - Energia Hidráulica_Biomassa_75Pg

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PÓS-GRADUAÇÃO EM EFICIÊNCIA ENERGÉTICA 
Aula 03 – Energia Hidráulica / Biomassa 
Disciplina: Geração Convencional e Renovável 
1 
CRONOGRAMA 
AULAS CONTEÚDO 
01/06/2019 
GERAÇÃO CONVENCIONAL E RENOVÁVEL 
Conceito, Normas, Tipos de Energia e Análise do Cenário Nacional e Mundial. 
01 e 08/06/2019 
ENERGIA SOLAR 
Conceito, Tecnologias, Aplicações e Payback. 
08 e 15/06/2019 
ENERGIA EÓLICA 
Conceito, Tecnologias e Aplicações. 
15 e 29/06/2019 
ENERGIA HÍDRICA E BIOMASSA 
Conceito, Tecnologias e Aplicações. 
29/06/2019 
SISTEMAS HÍBRIDOS E LAB. DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 
Ensaios e Apresentações. 
Rudolfo Hesse 2 
Horário Atividades 
29/06 
 
Resolução e Dúvidas: 
 
1. Exercicio 02 - Energia Solar Off Grid – Prazo: 15/06; 
2. Exercicio 03 – Energia Solar On Grid – Prazo: 15/06; 
3. Lista de Exercicios 01 – Energia Eólica – Prazo: 29/06; 
4. Lista de Exercicios 02 – Energia Eólica – Prazo: 29/06. 
 
14:00 ~ 17:00 Energia Hídrica / Bioenergia 
AULA DE HOJE (15/06) 
ENERGIA HÍDRICA E BIOENERGIA 
Rudolfo Hesse 3 
Horário Atividades 
08:30 ~ 14:45 
LAB. C2 
 
1. Energia Solar Off Grid; 
2. Energia Eólica – Aerogerador; 
3. Energia Eólica – Túnel de Vento; 
4. Energia Hidráulica – Rotor Pelton; 
5. Software SolarWeb e Inversores; 
6. Energia Termosolar; 
7. Estação Solarimétrica – Campbell. 
14:45 ~ 15:45 
LAB. B2 
Desenvolvimento dos PPTs: 
• Capa + 3 slides por 
demonstração/ensaio (02 por grupo). 
15:45 ~ 16:45 Apresentações. 
16:45 ~ 17:00 Encerramento do Módulo. 
LAB. DE ENERGIAS RENOVÁVEIS – 29/06 
Rudolfo Hesse 4 
MATERIAIS DIGITAIS 
Rudolfo Hesse 
Drive 
5 
ENERGIA HÍDRICA/ 
HIDRÁULICA 
Rudolfo Hesse 6 
ENERGIA HÍDRICA/ 
HIDRÁULICA 
Rudolfo Hesse 7 
BACIA HIDROGRÁFICA 
Área da superfície do solo 
capaz de coletar a água das 
precipitações meteorológicas 
e conduzi-las ao curso 
d’água. 
Rudolfo Hesse 8 
POTENCIAL HIDRÁULICO 
BRASIL (2012) 
Rudolfo Hesse 9 
VAZÃO MINIMA 
ANO 
Rudolfo Hesse 10 
Rudolfo Hesse 
REGULARIZAÇÃO DE VAZÕES 
11 
ARMAZENAMENTO CENTRALIZADO 
 A região em vermelho é a 
área de captação responsável por 
70% do armazenamento 
energético do Brasil. Se não 
chover nessa área durante o 
período úmido, a geração do 
período seco será comprometida. 
Mudanças climáticas estão 
afetando os padrões de chuva, e 
com isso aumentando a 
vulnerabilidade do setor elétrico. 
Rudolfo Hesse 12 
ARMAZENAMENTO CENTRALIZADO 
Rudolfo Hesse 13 
PDE 2023 
Rudolfo Hesse 14 
USINAS HIDRELÉTRICAS 
As usinas hidrelétricas (ou 
hidroelétricas) são sistemas que 
transformam a energia contida na 
correnteza dos rios em energia 
elétrica. 
 
A construção das usinas hidrelétricas se 
dá sempre em locais onde podem ser 
aproveitados os desníveis naturais dos 
cursos dos rios e deve-se ter uma vazão 
mínima para garantir a produtividade. 
Rudolfo Hesse 15 
PCHs e GCHs (UHEs) 
De acordo com o potencial de geração de energia podemos classificar 
as hidrelétricas em: 
 
• PCHs ou Pequenas Centrais Hidrelétricas que operam em uma 
faixa de geração de 1 a 30 MW e com um reservatório de área 
inferior a 3 km²; 
 
• GCHs (UHEs) ou Grandes Centrais Hidrelétricas que operam com 
potências acima de 30MW. 
Rudolfo Hesse 16 
POTENCIAL HIDRÁULICO 
O potencial hidráulico é proporcionado pela vazão hidráulica e pela 
concentração dos desníveis existentes ao longo do curso de um rio, 
ou: 
 
 
• De forma natural, quando o desnível está concentrado numa 
cachoeira; 
• Por meio de uma barragem, quando pequenos desníveis são 
concentrados na altura da barragem; 
• Por meio de desvio do rio de seu leito natural. 
Rudolfo Hesse 17 
HISTÓRICO 
BRASIL 
• 1889 – construção da primeira hidrelétrica do Brasil, em Minas 
Gerais; 
 
• A década de 1940, marca o início da construção de uma série de 
usinas hidrelétricas, o que tornou o Brasil um dos maiores 
produtores de energia renovável do mundo (com o Canadá); 
 
• Foi também nessa época que, diante do crescimento de consumo 
e da estiagem prolongada, o governo brasileiro iniciou a 
construção de grandes represas e a interligar as usinas 
hidrelétricas entre si, para evitar o desabastecimento de energia. 
Rudolfo Hesse 18 
HISTÓRICO 
• A Usina de Angiquinho foi a primeira 
hidroelétrica do nordeste, 
inaugurada em 1913 pelo empresário 
Delmiro Gouveia. A ideia era abastecer 
a nascente indústria têxtil e levar água 
para a cidade de Pedra (atual Delmiro 
Gouveia), AL. 
 
• Hoje, o prédio está abandonado ao 
lado do enorme complexo hidrelétrico 
de Paulo Afonso, BA. 
Rudolfo Hesse 19 
ESTADO DA ARTE 
Embora a capacidade instalada de sistemas hidráulicos (UHE + PCH) cresça, sua participação na 
matriz cairá, em 10 anos, de 72% para 60%; 
 
A participação da Energia Eólica na matriz energética terá um crescimento próximo de 400% 
em 10 anos; 
 
Já se prevê uma participação de 3,3 % de energia solar na matriz energética brasileira. 
Rudolfo Hesse 20 
TIPOS DE UHE 
Rudolfo Hesse 21 
UHE x UHRS 
Rudolfo Hesse 22 
UHE 
Rudolfo Hesse 23 
ONS - UH ESQUEMA do SIN 
Rudolfo Hesse 24 
Rudolfo Hesse 
PERFIL ESQUEMÁTICO 
Comporta Comporta 
Gerador Gerador 
Turbina Turbina 
Sistema de 
Elevação de 
Tensão 
Sistema de 
Elevação de 
Tensão 
Barragem Barragem 
Conduto Conduto 
25 
FUNCIONAMENTO 
UHE 
Rudolfo Hesse 26 
CARACTERISTICAS DA UHE 
Turbinas: são basicamente um eixo em torno do qual é montado um 
círculo de pás. O impacto da água nas pás faz o eixo girar e o 
movimento aciona a máquina; 
 
Vertedouro: controla o nível de água da represa, evitando 
transbordamentos; 
 
Casa de Máquinas: onde estão instalados os geradores acoplados às 
turbinas; 
 
Conduto: conduz a água do reservatório até a turbina; 
 
Reservatório ou Lago: surge a partir do fechamento da barragem. 
Rudolfo Hesse 27 
CARACTERISTICAS DA UHE 
Gerador: surge a partir da energia mecânica, produz energia elétrica; 
 
Casa de Comando: local de onde se opera a usina; 
 
Saída de Água: local por onde sai a água após passar pelas turbinas; 
 
Subestação Elevadora: local onde se transforma a energia elétrica em 
alta tensão para ser transportada; 
Rudolfo Hesse 28 
Casa de Força Casa de Força 
Vertedouro Vertedouro 
Barragem Barragem 
MATERIAIS DIGITAIS 
Rudolfo Hesse 29 
MATERIAIS DIGITAIS - Itaipú 
Usina Hidroelétrica Barragem 
A altura da barragem 
principal (196 metros) 
equivale à altura de 
um prédio de 65 
andares. 
Rudolfo Hesse 30 
MATERIAIS DIGITAIS - Itaipú 
Rudolfo Hesse 31 
Usina Hidroelétrica 
Comparativos - Itaipu 
O volume total de concreto utilizado na 
construção da usina seria suficiente para 
construir 210 estádios de futebol como o do 
Maracanã, no Rio de Janeiro. 
Usina Hidroelétrica 
Vertedouro 
Comporta Comporta 
A vazão máxima do vertedouro da Itaipu (62,2 mil metros cúbicos por segundo) corresponde a 
40 vezes à vazão média das Cataratas do Iguaçu. 
32 Rudolfo Hesse 
MATERIAIS DIGITAIS - Itaipú 
MATERIAIS DIGITAIS - Itaipú 
Rudolfo Hesse 33 
Usina Hidroelétrica 
Comparativos - Itaipu 
O ferro e aço utilizados permitiriam a 
construção de 380 Torres Eiffel. 
TIPOS DE TURBINA 
UHE e PCH 
As turbinas hidráulicas dividem-se em diversos tipos, sendo os 
quatro principais: 
 
• Pelton; 
• Francis; 
• Kaplan; 
• Bulbo. 
 
Cada um destes tipos é adaptado para funcionar em usinas com 
uma determinada faixa de altura de queda e vazão. 
34 Rudolfo Hesse 
MÁQUINAS HIDRÁULICAS 
 
 
 
Turbinas de Reação 
recebeágua sob pressão na 
direção radial e descarrega 
numa direção axial 
a energia hidráulica é transformada 
 em energia cinética para, depois 
de incidir nas pás do rotor, 
transformar-se em mecânica 
Pá 
Rotor 
AÇÃO 
REAÇÃO 
35 Rudolfo Hesse 
TIPOS DE TURBINA 
RENDIMENTO 
36 Rudolfo Hesse 
KAPLAN 
• Alta vazão; 
• Baixas quedas. 
 
• Características: 
- Pás reguláveis em função a 
condição de operação; 
- Alto rendimento em qualquer faixa 
de operação. 
37 Rudolfo Hesse 
KAPLAN 
• São adequadas para operar para 
operar entre quedas até 60 m; 
 
• A Usina Hidrelétrica de Três Marias 
funciona com turbina tipo Kaplan. 
38 Rudolfo Hesse 
FRANCIS 
• Média/Alta vazão; 
• Média/Alta queda. 
39 Rudolfo Hesse 
FRANCIS 
• São adequadas para operar entre 
quedas de 40m até 400m; 
 
• A Usina Hidrelétrica de Itaipu, 
Tucuruí, Furnas e outras no Brasil 
funcionam com turbinas tipo 
Francis com cerca de 100 m de 
queda de água. 
40 Rudolfo Hesse 
FRANCIS 
41 Rudolfo Hesse 
Turbina Turbina 
Gerador Gerador 
MÁQUINAS ELÉTRICAS 
GERADOR 
Cruzeta Cruzeta 
Mancal Mancal 
Rotor do Gerador Rotor do Gerador 
Estator Estator 
Anel 
Coletor 
Anel 
Coletor 
Cobertura da 
máquina 
Cobertura da 
máquina 
Trocadores de Calor Trocadores de Calor Polos Polos 
42 Rudolfo Hesse 
CAIXA ESPIRAL + PRÉ-DISTRIBUIDOR 
EMBUTIDOS NO CONCRETO 
Função: 
• Recebe o fluxo d’água do sistema 
adutor e o dirige ao rotor da 
turbina. 
Formas construtivas: 
• Espiral em chapas metálicas; 
• Caixa feita em concreto. 
43 Rudolfo Hesse 
PELTON 
• Baixa Vazão; 
• Alta / Altissima queda. 
44 Rudolfo Hesse 
PELTON 
– São adequadas para operar entre 
quedas de 350 até 1.100 m, sendo 
por isto muito mais comuns em 
países montanhosos; 
 
– A Usina Hidrelétrica Gov. Parigot 
de Souza no Paraná, possui esta 
turbina. 
 
– H = Queda de 754m. 
45 Rudolfo Hesse 
PELTON - PROPORÇÃO 
46 Rudolfo Hesse 
47 Rudolfo Hesse 
PELTON - PROPORÇÃO 
PELTON 
NÚMERO DE BICOS 
INJETORES 
48 Rudolfo Hesse 
PELTON - BICOS INJETORES 
49 Rudolfo Hesse 
PELTON 
COMPORTAMENTO DO JATO D’ÁGUA 
50 Rudolfo Hesse 
BULBO 
• Operam em quedas de 
água abaixo de 20 m; 
 
• No Brasil existe o 
planejamento da 
construção das Usinas de 
Santo Antônio e Jirau. 
51 Rudolfo Hesse 
COMPARATIVO 
FRANCIS x PELTON 
52 Rudolfo Hesse 
PELTON - EROSÃO E DESGASTE DOS 
COMPONENTES MECÂNICOS 
53 Rudolfo Hesse 
PROCESSOS DE 
FABRICAÇÃO 
54 Rudolfo Hesse 
PRINCIPIO BÁSICO 
FUNCIONAMENTO 
55 Rudolfo Hesse 
PRINCIPIO BÁSICO DE 
FUNCIONAMENTO 
56 Rudolfo Hesse 
RENDIMENTO 
57 Rudolfo Hesse 
ENERGIA DIÁRIA GERADA 
58 Rudolfo Hesse 
FATOR DE CAPACIDADE 
UHE 
59 Rudolfo Hesse 
BIOMASSA 
60 Rudolfo Hesse 
Qualquer combustível 
proveniente de fonte orgânica 
utilizado para a geração de 
energia elétrica. Desta forma, 
podemos classificar como 
biomassa, o bagaço da cana-de-
açúcar, a lenha, o lixo urbano 
ou industrial, carvão, 
resíduos agrícolas, biogás, etc. 
MATÉRIA-PRIMA 
BIOMASSA 
61 Rudolfo Hesse 
ATLAS DE BIOENERGIA DO BRASIL 
NORDESTE: 
 Bagaço de cana e etanol 
 Resíduos agrícolas e óleos vegetais 
 Lenha 
 Carvão 
CENTRO-OESTE: 
 Lenha 
 Resíduos industriais 
 Resíduos agrícolas e óleos vegetais 
NORTE: 
 Lenha 
 Carvão 
 Resíduos agrícolas e óleos 
vegetais 
SUL: 
 Bagaço de cana e etanol 
 Resíduos agropecuários 
 Resíduos industriais 
SUDESTE: 
 Bagaço de cana e etanol 
 Lenha 
 Carvão 
 Resíduos industriais 
 Resíduos agrícolas 
BRASIL 
MATÉRIA-PRIMA 
Fonte: Tractebel Energia 
62 Rudolfo Hesse 
PANORAMA DA PRODUÇÃO DE 
BIOENERGIA 
ESTADO DE SÃO PAULO 
63 Rudolfo Hesse 
UNIDADES GERADORAS 
BAGAÇO 
 O Brasil possui 388 usinas movidas a 
biomassa; 
 315 unidades geradoras a partir do 
bagaço; 
 O combustível representa 81% das 
usinas que usam biomassa; 
 203 das 315 usinas estão no Sudeste; 
 171 delas no Estado de São Paulo. 
64 Rudolfo Hesse 
UTILIZAÇÃO DE BIOMASSA 
GERAÇÃO DE ENERGIA 
VANTAGENS 
 Fonte de energia renovável; 
 Energia segura e com grande potencial; 
 Baixo custo de matéria-prima e obtenção; 
 Menor risco ambiental; 
 Emite menos gases poluentes; 
 Proporciona o reaproveitamento dos 
resíduos; 
 Menor corrosão nos equipamentos 
(cadeiras, fornos, etc); 
 As cinzas são menos agressivas ao meio 
ambiente que as provenientes dos 
combustíveis fósseis. 
 
DESVANTAGENS 
65 Rudolfo Hesse 
 Dificuldade no transporte, estoque e 
armazenamento; 
 Alto custo de enzimas; 
 Possui menor poder calorífico quando 
comparado com outros combustíveis; 
 Maior possibilidade de geração de 
material particulado para a atmosfera; 
 Maior custo de investimento em caldeiras 
e equipamentos para remoção do material 
particulado; 
 Deflorestação e destruição de habitats; 
 Ineficientes se forem usadas em plantas 
pequenas. 
DESAFIOS PARA O FOMENTO DA 
BIOENERGIA 
Avanços tecnológicos 
 Aumento da eficiência; 
 Melhorias tecnológicas favorecendo 
novas alternativas; 
 Ampliação da capacidade produtiva; 
 Desenvolvimento de máquinas e 
sistemas que permitam o recolhimento 
de resíduos agroindustriais; 
 Estabelecimento de padrões de 
qualidade; 
 Modernização dos equipamentos 
existentes. 
Medidas institucionais 
66 Rudolfo Hesse 
 Incentivos e subsídios públicos; 
 Reformas dos códigos públicos, 
especialmente o tributário; 
 Políticas de consolidação e expansão do 
setor; 
 Investimentos anuais em P&D; 
 Estímulo ao aumento do uso de energias 
renováveis; 
 Implantação da Política Nacional de 
Resíduos Sólidos (PNRS). 
GERAÇÃO TÉRMICA 
BIOMASSA 
 
67 Rudolfo Hesse 
BIOMASSA 
PROCESSOS 
A energia disponível na biomassa apresenta-se sempre na forma de energia 
química, impondo a necessidade da utilização de processos de conversão para sua 
utilização como: 
 
• Combustão direta 
• Gaseificação 
• Pirólise 
• Liquefação 
• Digestão anaeróbica, etc. 
 
O objetivo deste processo pode ser obtenção de calor, trabalho mecânico, 
energéticos líquidos e gasosos (etanol, gás combustível, carvão, biogás). 
68 Rudolfo Hesse 
BIOMASSA 
69 Rudolfo Hesse 
 Conversão do combustível sólido em 
gás por meio de reações termoquímicas e em 
seguida utilização do gás obtido (que contém 
basicamente CO, H2, CH4, CO2 e N2) para 
obtenção da energia. Este método é bem 
mais eficiente que a combustão direta por 
utilizar um combustível mais puro, além de 
produzir emissões atmosféricas mais limpas. O 
gás obtido a partir deste método pode ser 
usado em turbinas a gás ou mesmo em 
motores de combustão interna, 
comprovando sua maior versatilidade. 
BIOMASSA - GASEIFICAÇÃO 
70 Rudolfo Hesse 
 É a queima da biomassa em fornos, caldeiras ou fogões. O problema 
deste tipo de combustão é a baixa eficiência, devido a umidade da biomassa (que 
na lenha pode ser de 20% ou até mais, por exemplo) e da baixa densidade 
energética dos combustíveis envolvidos neste tipo de geração de energia. 
BIOMASSA - COMBUSTÃO 
71 Rudolfo Hesse 
BIOMASSA - BIODIGESTÃO ANAEROBIA 
 Ocorre na ausência de ar, porém o processo de decomposição da biomassa 
é feito por bactérias (biológico) que ao decompor o material (processo que ocorre 
normalmente com a biomassa, porém nesse caso, é acelerado em um biodigestor), 
produz o biogás composto por metano e dióxido de carbono que tem um conteúdoenergético em torno de 5.500 kcal/m³. É muito usado na conversão de lixo urbano 
(em aterros) e agrícola em combustível. 
72 Rudolfo Hesse 
BIOMASSA - CO2 
A queima de biomassa provoca a liberação de dióxido de carbono na 
atmosfera, mas como este composto havia sido previamente 
absorvido pelas plantas que deram origem ao combustível, o 
balanço de emissões de CO2 é nulo. 
73 Rudolfo Hesse 
EXERCÍCIO 01 – ENERGIA HIDRÁULICA 
PRAZO: 29/06 
74 Rudolfo Hesse 
FONTE: ATLAS DE BIOENERGIA DO BRASIL / GOOGLE. 
EXERCÍCIO 02 – BIOMASSA 
PRAZO: 29/06 
Realize uma pesquisa que considere os 
seguintes aspectos: 
 
• Onde estão localizados os grandes 
produtores de energia elétrica (por meio 
de biomassa) no estado de São Paulo? 
 
• Qual o processo adotado por estes 
grandes produtores? (combustão, 
biodigestão anaerobia, etc.) . 
Cite as empresas nominalmente. 
 
75 Rudolfo Hesse