Energia Hidrelétrica: Definição, História e Perspectivas

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SUMÁRIO
I. INTRODUÇÃO.......................................................................................................... 2
II. DESENVOLVIMENTO............................................................................................3
II.I DEFINIÇÃO E HISTÓRIA..................................................................................... 3
II.II FUNCIONAMENTO..............................................................................................6
II.III GERAÇÃO HIDRELÉTRICA NO BRASIL........................................................7
II.IV GERAÇÃO HIDRELÉTRICA MUNDIAL..........................................................8
II.V CUSTOS............................................................................................................... 12
II.V PERSPECTIVAS DE DESENVOLVIMENTO...................................................14
III. CONCLUSÃO....................................................................................................... 17
IV. REFERÊNCIAS.....................................................................................................18
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I. INTRODUÇÃO
A água é o recurso natural mais abundante na Terra: com um volume
estimado de 1,36 bilhão de quilômetros cúbicos (km3), recobre 2/3 da superfície do
planeta sob a forma de oceanos, calotas polares, rios e lagos. Além disso, pode ser
encontrada em aquíferos subterrâneos, como o Guarani, no Sudeste brasileiro. A água
também é uma das poucas fontes para produção de energia que não contribui para o
aquecimento global – o principal problema ambiental da atualidade. E, ainda, é
renovável: pelos efeitos da energia solar e da força da gravidade, de líquido
transforma-se em vapor que se condensa em nuvens, que retornam à superfície
terrestre sob a forma de chuva.
Mesmo assim, a participação da água na matriz energética mundial é pouco
expressiva e, na matriz da energia elétrica, decrescente. Uma das possíveis
explicações para esta pequena participação relaciona-se às características de
distribuição da água na superfície terrestre. Do volume total, a quase totalidade está
nos oceanos e, embora pesquisas estejam sendo realizadas, a força das marés não é
utilizada em escala comercial para a produção de energia elétrica. Da água doce
restante, apenas aquela que flui por aproveitamentos com acentuados desníveis e/ou
grande vazão pode ser utilizada nas usinas hidrelétricas – características necessárias
para a produção da energia mecânica que movimenta as turbinas das usinas.
Além disso, embora desde a Antiguidade a energia hidráulica tenha sido
usada para gerar energia mecânica – nas instalações de moagem de grãos, por
exemplo – no século XX passou a ser aplicada, quase integralmente, como
matéria-prima da eletricidade. Assim, a participação na produção total da energia final,
que também inclui a energia mecânica e térmica, fica comprometida. Já a redução da
participação na matriz da energia elétrica tem a ver com o esgotamento das reservas.
Nos últimos 30 anos, também de acordo com levantamentos da IEA, a oferta
de energia hidrelétrica aumentou em apenas dois locais do mundo: Ásia, em particular
na China, e América Latina, em função do Brasil, país em que a hidreletricidade
responde pela maior parte da produção da energia elétrica. Nesse mesmo período, os
países desenvolvidos já haviam explorado todos os seus potenciais, o que fez com que
o volume produzido registrasse evolução inferior ao de outras fontes, como gás
natural e as usinas nucleares. De acordo com o estudo sobre hidreletricidade do Plano
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Nacional de Energia 2030, elaborado pela EPE, são notáveis as taxas de
aproveitamento da França, Alemanha, Japão, Noruega, Estados Unidos e Suécia, em
contraste com as baixas taxas observadas em países da África, Ásia e América do Sul.
No Brasil o aproveitamento do potencial hidráulico é da ordem de 30%.
Mesmo nessas últimas regiões, a expansão não ocorreu na velocidade prevista.
Entre outros fatores, o andamento de alguns empreendimentos foi afetado pela
pressão de caráter ambiental contra as usinas hidrelétricas de grande porte. O
principal argumento contrário à construção das hidrelétricas é o impacto provocado
sobre o modo de vida da população, flora e fauna locais, pela formação de grandes
lagos ou reservatórios, aumento do nível dos rios ou alterações em seu curso após o
represamento.
A China é detentora da maior hidrelétrica do mundo, Três Gargantas, com
capacidade instalada de 22.400 MW (megawatts). Já a binacional Itaipu, no Brasil e
Paraguai conta com capacidade instalada de 14 mil MW. Três Gargantas apesar de
maior, possui um rendimento menor que a binacional Itaipu.
II. DESENVOLVIMENTO
II.I DEFINIÇÃO E HISTÓRIA
A energia hidrelétrica é gerada pelo aproveitamento do fluxo das águas em
uma usina na qual as obras civis – que envolvem tanto a construção quanto o desvio
do rio e a formação do reservatório – são tão ou mais importantes que os
equipamentos instalados. Por isso, ao contrário do que ocorre com as usinas
termelétricas (cujas instalações são mais simples), para a construção de uma
hidrelétrica é imprescindível a contratação da chamada indústria da construção
pesada.
A primeira hidrelétrica do mundo foi construída no final do século XIX –
quando o carvão era o principal combustível e as pesquisas sobre petróleo ainda
engatinhavam – junto às quedas d’água das Cataratas do Niágara. Até então, a energia
hidráulica da região tinha sido utilizada apenas para a produção de energia mecânica.
Na mesma época, e ainda no reinado de D. Pedro II, o Brasil construiu a primeira
hidrelétrica, no município de Diamantina, utilizando as águas do Ribeirão do Inferno,
afluente do rio Jequitinhonha, com 0,5 MW (megawatt) de potência e linha de
transmissão de dois quilômetros.
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Em pouco mais de 100 anos, a potência instalada das unidades aumentou
significativamente – chegando a 14 mil MW, como é o caso da binacional Itaipu,
construída em parceria por Brasil e Paraguai e hoje a segunda maior hidrelétrica em
operação do mundo. Mas, o princípio básico de funcionamento para produção e
transmissão da energia se mantém inalterado. O que evoluiu foram as tecnologias que
permitem a obtenção de maior eficiência e confiabilidade do sistema.
As principais variáveis utilizadas na classificação de uma usina hidrelétrica
são: altura da queda d’água, vazão, capacidade ou potência instalada, tipo de turbina
empregada, localização, tipo de barragem e reservatório. Todos são fatores
interdependentes. Assim, a altura da queda d’água e a vazão dependem do local de
construção e determinarão qual será a capacidade instalada - que, por sua vez,
determina o tipo de turbina, barragem e reservatório.
Existem dois tipos de reservatórios: acumulação e fio d’água. Os primeiros,
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 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. As
unidades a fio d’água geram energia com o fluxo de água do rio, ou seja, pela vazão
com mínimo ou nenhum acúmulo do recurso hídrico.
A queda d’água, no geral, é definida como de alta, baixa ou média altura. O
Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétrica (Cerpch, da
Universidade Federal de Itajubá – Unifei) considera baixa queda uma altura de até 15
metros e alta queda, superior a 150 metros. Mas não há consenso com relação a essas
medidas.
A potência instalada determina se a usina é de grande ou médio porte ou uma
Pequena Central Hidrelétrica (PCH). A Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel)
adota três classificações: Centrais Geradoras Hidrelétricas (com até 1 MW de
potência instalada), Pequenas Centrais Hidrelétricas (entre1,1 MW e 30 MW de
potência instalada) e Usina Hidrelétrica de Energia (UHE, com mais de 30 MW).
O porte da usina também determina as dimensões da rede de transmissão que
será necessária para levar a energia até o centro de consumo. Quanto maior a usina,
mais distante ela tende a estar dos grandes centros. Assim, exige a construção de
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grandes linhas de transmissão em tensões alta e extra-alta (de 230 quilovolts a 750
quilovolts) que, muitas vezes, atravessam o território de vários Estados. Já as PCHs e
CGHs, instaladas junto a pequenas quedas d’águas, no geral abastecem pequenos
centros consumidores – inclusive unidades industriais e comerciais – e não necessitam
de instalações tão sofisticadas para o transporte da energia.
No Brasil, de acordo com o Banco de Informações da Geração (BIG) da
Aneel, em fevereiro de 2019, existem em operação 697 CGHs, com potência total de
701.660 kW; 425 PCHs (5.215.429 kW de potência instalada) e 216 UHE com uma
capacidade total instalada de 102.229.978 kW. Em novembro de 2008, as usinas
hidrelétricas, independentemente de seu porte, respondem, portanto, por 63,83% da
potência total instalada no país, de 168.978.707 kW, como mostra a Tabela 1 abaixo.
Tabela 1: Empreendimentos em operação no Brasil em fevereiro de 2019
Tipo Quantidade
Potência
Outorgada (kW)
Potência
Fiscalizada (kW)
%
CGH 697 701.660 701.474 0,43
CGU 1 50 50 0
EOL 599 14.783.689 14.737.793 9,01
PCH 425 5.215.429 5.160.856 3,16
UFV 2.462 1.987.719 1.985.719 1,21
UHE 216 102.229.978 98.481.478 60,24
UTE 3.008 42.070.182 40.437.199 24,73
UTN 2 1.990.000 1.990.000 1,22
Total 7.410 168.978.707 163.494.569 100
Fonte: Aneel, 2019.
Legenda
CGH Central Geradora Hidrelétrica
CGU Central Geradora Undi-elétrica
EOL Central Geradora Eólica
PCH Pequena Central Hidrelétrica
UFV Central Geradora Solar Fotovoltaica
UHE Usina Hidrelétrica
UTE Usina Termelétrica
UTN Usina Termonuclear
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I.II FUNCIONAMENTO
A energia elétrica que chega até nós é gerada em usinas hidrelétricas; assim
diz a linguagem usual, sendo que na verdade ela é resultado de um processo de
conversão de energia potencial em energia elétrica.
A água que se encontra represada na barragem armazena energia potencial.
Ao abrir as comportas da usina, a energia potencial da água vai sendo convertida em
energia cinética à medida que ela vai escoando pelos dutos, estes que são interligados
às turbinas, fazendo-as girar. Cada turbina é acoplada a um equipamento chamado
gerador, formando, assim, a unidade geradora que faz a transformação da energia
mecânica, do movimento das pás da turbina, em energia elétrica através da força
eletromotriz induzida, processo este que consiste na conversão da energia cinética das
turbinas – rotação das pás – em energia elétrica, pois em razão da FEM (força
eletromotriz) será estabelecida uma corrente elétrica entre dois pontos.
Finalizado o processo de produção da hidrelétrica, a energia “gerada” é
enviada, por meio das chamadas linhas de transmissão, ao Sistema Interligado
Nacional, que é responsável por receber e direcionar essa energia para as companhias
distribuidoras.
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Figuras 1 e 2: Esquema de funcionamento de uma Usina Hidrelétrica.
Fonte: Aliança Energia
II.III GERAÇÃO HIDRELÉTRICA NO BRASIL
Em 2018, segundo os resultados preliminares do Balanço Energético
Nacional (BEN), elaborado pela Empresa de Pesquisa Energética, a energia de fonte
hidráulica (ou hidreletricidade) respondeu por 10,57% da matriz energética brasileira,
sendo superada por derivados da cana-de-açúcar (16,48%) e petróleo e derivados
(58,25%).
Entende-se por potencial hidrelétrico o potencial possível de ser técnica e
economicamente aproveitado nas condições atuais de tecnologia. O potencial
hidrelétrico é medido em termos de energia firme, que é a geração máxima contínua
na hipótese de repetição futura do período hidrológico crítico. O potencial hidrelétrico
inventariado compreende as usinas em operação ou construção e os aproveitamentos
disponíveis estudados nos níveis de inventário, viabilidade e projeto básico.
Tomando-se por base o inventário como etapa em que se mede com toda
precisão o potencial, pode-se avaliar a precisão dos valores obtidos para o potencial
estimado. De acordo com estudos de avaliação, já procedidos, os valores estimados se
situam em até cerca de 35% abaixo do valor final inventariado, donde se conclui que
o potencial estimado é bastante conservador. O potencial hidrelétrico brasileiro em
2018, segundo o EPE é de 111,1 GW.
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No Brasil há diversas usinas hidrelétricas, porém as 5 que geram mais energia
são, em ordem decrescente de capacidade: Usina Hidrelétrica de Itaipu (Paraná) ,
Usina Hidrelétrica de Belo Monte (Pará), Usina Hidrelétrica São Luíz do Tapajós
(Pará) e Usina Hidrelétrica de Tucuruí (Pará) e Usina Hidrelétrica de Santo Antônio
(Rondônia).
A concentração das duas regiões não se relaciona apenas com a topografia do
país. Tem a ver, também, com a forma como o parque hidrelétrico se desenvolveu. A
primeira hidrelétrica de maior porte começou a ser construída no Nordeste (Paulo
Afonso I, com potência de 180 MW), pela Companhia Hidrelétrica do S. Francisco
(Chesf, estatal constituída em 1948). As demais, erguidas ao longo dos 60 anos
seguintes, concentraram-se nas regiões Sul, Sudeste e Nordeste (com o
aproveitamento integral do rio São Francisco). No Norte foram construídas Tucuruí,
no Pará, e Balbina, no Amazonas. Mas apenas nos anos 90 a região começou a ser
explorada com maior intensidade, com a construção da Usina Serra da Mesa (GO), no
rio Tocantins.
II.IV GERAÇÃO HIDRELÉTRICA MUNDIAL
Tabela 2: Geração Hidrelétrica Mundial.
Fonte: BEN 2018 - Empresa de Pesquisa Energética (EPE).
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Gráfico 1: Geração Hidrelétrica por Região.
Fonte: Key World Energy Statistics 2011 - Agência Internacional de Energia (IEA).
Gráfico 2: Produção de Energia Elétrica por Fonte.
Fonte: Key World Energy Statistics 2011 - Agência Internacional de Energia (IEA).
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Gráfico 3: Oferta de energia por fonte, 1973/2014
Fonte: Key World Energy Statistics 2011 - Agência Internacional de Energia (IEA)
11
Gráfico 4: Oferta de Energia por Região.
Fonte: Key World Energy Statistics 2011 - Agência Internacional de Energia (IEA)
12
:
Gráfico 5: Consumo Final de Energia por Fonte.
Fonte: Key World Energy Statistics 2011 - Agência Internacional de Energia (IEA)
II.V CUSTOS
De acordo com o mercado, o custo para construção de uma hidrelétrica é
cerca de R$1250,00/kW.
A geração média da usina é calculada multiplicando a potência instalada pelo
fator de carga médio. Dessa forma, a receita constitui-se da geração média valorada
pelo custo a ser determinado. Vale ressaltar que o fator de carga nos primeiros anos é
menor, atingindo o seu valor máximo após a usina estar em pleno funcionamento.
As despesas estão aqui representadas por: custos de operação e manutenção
(O&M), encargos por uso de Recursos Hídricos e tributação média aplicada no setor e
depreciação, além dos custos com o capital inicial investido. Segundo o Modelo de
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Empresa de Referência da Aneel, o custo de O&M total de um empreendimento de
geração hidrelétrica é de aproximadamente R$6,00/MWh.
A lei da ANEEL 7990/1989, determinou a compensação financeira pelo
resultado da exploração de recursos hídricos para fins de geração de energia elétrica.
Segundo esta lei, a energia de hidrelétricas será gravada com a aplicação de 6% do
valor da energia elétrica correspondente ao faturamento do serviço público local.
Por fim, aplica-se um custo associado à depreciação do empreendimento,
porque ao final do período de concessão a hidrelétrica é devolvida à União.
Finalmente, as despesas podem ser calculadas conforme as equações a seguir:
• Despesa Investimento Inicial
onde,
d_I: despesa investimento inicial
I: montante de investimento inicial
RP: percentual de recursos próprios
CO: percentual de custo de oportunidade
RT: percentual de recursos de terceiros
CC: percentualde custo de captação de captação
M: percentual de desembolso
• Despesa O&M
onde,
d_C: despesa O&M
C_O&M: custo de operação e manutenção em R$/MWh
G: geração em MWh
Utilizando a equação anterior, o custo da empresa de referência da Aneel e a
geração média de energia, obtém-se o fluxo para as despesas referentes à operação e
manutenção desta usina.
• Depreciação
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onde,
T_d: taxa de depreciação
A: total de anos de vida útil (tempo em que a usina deverá ser devolvida)
e
onde,
d_d: despesa referente à depreciação
• Despesas com Encargos e Tributos: As despesas com encargos e tributos são
calculadas com base na receita e, portanto, dependem do preço aplicado, conforme as
seguintes equações:
♦ tributação
onde,
R: Receita do empreendimento
T: Tributação média
♦ encargos
onde,
R: Receita do empreendimento
E: taxa aplicada (6% segundo Aneel)
II.VI PERSPECTIVAS DE DESENVOLVIMENTO
O Brasil continuará a usar energia hidrelétrica e de outras fontes renováveis
para suprir grande parte de suas necessidades energéticas, fazendo um uso muito
maior destas fontes do que qualquer outro país ou região analisada.
1. Em 2016, 42% do total da energia usada no Brasil foi proveniente de
hidrelétricas ou outras fontes renováveis.
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2. Até 2040 espera-se que esta participação aumente para 47%, com capacidade
triplicada em energia solar, eólica e biocombustíveis, e geração hidrelétrica
aumentando em um terço.
3. O uso de gás natural e energia nuclear deve dobrar até 2040, ao passo que o
uso de carvão deve cair.
3% 60% 47% 4%
Participação no
consumo global de
energia em 2040.
Crescimento no
consumo de
energia no Brasil
até 2040.
Participação no
consumo de
energia vinda de
fonte hidrelétrica
ou outras fontes
renováveis em
2040.
Participação na
produção global de
petróleo em 2040.
4. A intensidade energética da economia brasileira permanece relativamente
constante no período abordado, com o consumo de energia crescendo 2,0% ao ano
comparado com um aumento de PIB de 1,8% no período. Isso contrasta com a
situação do resto do mundo, onde a intensidade energética cai em um terço.
5. O uso de energia para a geração de eletricidade cresce até 85%. Entre os
setores finais, o uso de energia em edificações é o que sobe mais rápido (+85%),
seguido por combustíveis não-carburantes (+60%), indústria (+56%) e transporte
(+44%).
6. A taxa de crescimento nestes setores é menor do que nos 25 anos anteriores
(exceto pelo uso de nãocarburantes), majoritariamente devido à desaceleração do
crescimento econômico anual: 1,8% versus uma média histórica de 2,7%. Entretanto,
no setor de não-carburantes, a demanda por energia aumenta 2,0% ao ano comparados
com 1,2% de média histórica.
7. Em 2016, 42% da energia consumida no Brasil foi gerada em usinas
hidrelétricas ou outras fontes renováveis (29% hidrelétrica e 13% eólica, solar e
biocombustíveis). Essa é a maior participação em qualquer país ou região analisada
pelo Energy Outlook.
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8. Até 2040 esta participação aumentará para 47%, uma vez que o uso de
biocombustíveis deve dobrar, e haverá um aumento de 30% em produção hidrelétrica.
Eólica e solar crescem de forma também relevante.
9. O Brasil foi o segundo maior consumidor de biocombustíveis do mundo
em 2016, depois dos EUA, e manterá esta posição até 2040. Até 2040, 24% de todos
os combustíveis líquidos consumidos no Brasil devem vir de biocombustíveis,
comparado com 15% em 2016. Nos EUA, as participações são de 7% e 5%
respectivamente.
10. A ascensão das energias renováveis vem em detrimento do carvão e do
petróleo. A participação de petróleo no mix energético deve ser reduzida de 40% para
31%, apesar do crescimento da demanda ser de 19% em termos absolutos. A
participação do carvão cai de 6% para 3% no período e cai de 17 mtoe para 15. Gás é
o combustível fóssil que cresce mais rapidamente, com a demanda dobrando e sua
participação subindo de 11% para 16%.
11. O Brasil continua a expandir sua produção de petróleo, aumentando sua
produção de 2,7 Mb/d para 4.0 Mb/d até 2040, o que representa pouco menos de 4%
da produção mundial.
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Tabela 3: Considerações enérgicas sobre o Brasil.
Fonte: BP Energy Outlook.
III. CONCLUSÃO
Baseado nas informações presentes neste trabalho, enfatiza-se o grande
potencial hidrelétrico apresentado pelo Brasil, que representa uma indiscutível
vantagem comparativa em relação às matrizes elétricas adotadas por outros países,
que utilizam principalmente os combustíveis fósseis e/ou centrais nucleares para
geração de energia elétrica. O parque gerador de energia elétrica no território
Brasileiro é constituído basicamente por usinas hidrelétricas, devido à vasta
quantidade de rios ao longo do seu território. A usina de Itaipu é um dos maiores
rendimentos de produção do mundo e é uma binacional, Brasileira e Paraguaia, sendo
assim responsável pela maior porcentagem da produção de energia em ambos os
países.
A energia provém do fluxo das águas. Com a queda da água do desnível do
terreno (natural ou não), a energia potencial gravitacional é transformada em energia
cinética. Essa energia ao movimentar as turbinas chega ao gerador, que a converte
para energia elétrica. A água retorna ao leito do rio e a energia vai para as centrais de
transmissão.
Os dados analisados ao longo desse trabalho indicam que a matriz energética
Brasileira para geração de energia elétrica continuará sendo predominantemente de
origem hídrica e tende a crescer juntamente com as outras energias renováveis.
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IV. REFERÊNCIAS
1. Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) – disponível em
<www.aneel.gov.br> Acesso em: 24/02/2019
2. Empresa de Pesquisa Energética (EPE) – disponível em <www.epe.gov.br>
Acesso em: 24/02/2019
3. International Energy Agency (IEA) – disponível em <www.iea.org>
Acesso em: 24/02/2019
4. Aliança Energia - disponível em <http://aliancaenergia.com.br>
Acesso em 24/02/2019.
5. BP Energy Outlook - disponível em <https://www.bp.com/>
Acesso em 24/02/2019.
6. Portal Biossistemas - disponível em <www.usp.com> Acesso em 24/02/2019.
7. Tese PUC-RIO - Certificação Digital Nº 0510470/CA - Disponível em:
<https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/10656/10656_7.PDF> Acesso em
27/02/2019.