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Geração de energia elétrica Capítulo 2 Centrais hidrelétricas Lineu Belico dos Reis
Capítulo 2: Centrais hidrelétricas
•Geração hidrelétrica e os outros usos da água • Aspectos básicos de hidrologia e regularização de vazões • Tecnologias e características básicas • Noções básicas de operação e integração ao sistema • Aspectos ambientais
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A geração hidrelétrica e a gestão da água: • Inserção ambiental (EIA, Rima); • Comitês de Bacias Hidrográficas; • Agência Nacional de Águas.
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“A Política Nacional de Recursos Hídricos estabelece que: • A gestão dos recursos hídricos deve sempre proporcionar o uso múltiplo das águas; • A bacia hidrográfica é a unidade territorial para implementação da Política Nacional de Recursos Hídricos; • A outorga de uso dos recursos hídricos deverá preservar o uso múltiplo destes”.
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•Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos (SNGRH), tem como objetivos: • Coordenar a gestão integrada das águas; • Arbitrar administrativamente os conflitos relacionados com os recursos hídricos; • Implementar a Política Nacional de Recursos Hídricos; • Regular e controlar o uso, a preservação e a recuperação dos recursos hídricos; • Promover a cobrança pelo uso de recursos hídricos.
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Usos múltiplos da água Entre os usos conflitantes dos reservatórios, podem-se destacar: • Abastecimento de água; • Irrigação; • Recreação; • Regularização de vazão mínima para controle da poluição; • Navegação; • Geração de energia elétrica.
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A outorga e cobrança dos usos da água A outorga enfatiza: • O controle pelo setor público; • Gestão participativa e descentralizada; • Gestão por bacia hidrográfica e gestão conjunta dos aspectos qualitativos e quantitativos. A cobrança pelo uso da água foi formalmente estabelecida no Brasil pela Lei nº 9.433/97.
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Aspectos básicos de hidrologia: • Ciclo hidrológico; • Conceito de bacia hidrográfica: área da superfície do solo capaz de coletar a água das precipitações meteorológicas e conduzi-las ao curso d'água; • Vazão em um curso d’água: o volume de água que passa em uma seção reta do curso d´água na unidade de tempo. Essa variável, usualmente medida em m3/s, em conjunto com a queda d’água disponível no local, determinará a potência elétrica que pode ser obtida; • Curva-chave: obtido o registro das vazões, é possível construir uma curva do nível de água em função da vazão ou curva-chave; Fluviograma; • Curvas de duração ou persistência.
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Regularização de vazões: capacidade de um reservatório Em muitos casos, pode ser conveniente que se armazene água de forma a permitir o uso mais constante de uma vazão média d’água superior àquela garantida apenas pelo comportamento natural do rio. Isso é feito através de barragens de acumulação (e consequentes reservatórios). Dois tipos de aproveitamentos podem ser desenvolvidos: • Aproveitamentos denominados a fio d’ água, sem reservatórios, usando a vazão primária do rio (vazão disponível, sem regularização, entre 90 e 100% do tempo). A 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.
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Determinação da capacidade de reservatórios pluviais: • Regularização total; • Regularização parcial.
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Geração hidrelétrica: esquemas, principais tipos e configurações Em uma central hidrelétrica: • A água aciona um conjunto turbina hidráulica – gerador elétrico para produção de energia elétrica; • A turbina hidráulica efetua a transformação da energia hidráulica em mecânica; • O gerador elétrico tem seu rotor acionado por acoplamento mecânico com a turbina e transforma energia mecânica em elétrica; • Para controlar a potência elétrica do conjunto, são usados reguladores.
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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, através da variação de potência, atuando na válvula de entrada de água da turbina.
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Principais componentes da central hidrelétrica: • Barragens; • Vertedouros; • Comportas; • Condutos; • Chaminés de equilíbrio ou câmaras de descarga; • Casas de força; • Eclusas; • Escadas e elevadores de peixes.
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Tipos de centrais hidrelétricas: • Usina a fio d´agua; • Usina com reservatório de acumulação; • Usina reversível.
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Algumas formas de classificação das centrais hidrelétricas: Quanto à potência: • Micro P < 100 kW • Mini 100 < P < 1.000 kW • Pequenas 1.000 < p < 30.000 kW • Médias 10.000 < P < 100.000 kW • Grandes P ≥ 100.000 kW Quanto à queda: • Baixíssima H < 10 m • Baixa 10 < H < 50 m • Média 50 < H < 250 m • Alta H < 250 m
Quanto à forma de captação de água: • Desvio e em derivação; • Leito de rio ou de represamento. Quanto à função no sistema • Operação na base (da curva de carga); • Operação flutuante; • Operação na ponta (da curva de carga).
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Maneiras básicas de melhorar a contribuição de centrais hidrelétricas em sistemas de potência: • Aumentar a potência de pico, ampliando a capacidade instalada em centrais já existentes; • Aumentar a produção total de energia, ampliando a vazão, por meio do gerenciamento de recursos hídricos da bacia em questão, ou aumentar a capacidade de armazenamento do reservatório, ampliando a altura das barragens já existentes; • Construir, a longo prazo, novas centrais hidrelétricas considerando a possibilidade de expansão do parque gerador.
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As grandes UHEs caracterizam-se por: • Providenciar não só reserva girante para situações de emergência ocorridas no sistema, mas também condições de suprir o pico de demanda; • Apresentar altas economias de escala: em particular, para instalações com grandes reservatórios, o custo marginal de capacidade adicional de geração tende a ser irrisório; • Possuir grande energia firme; • Apresentar maiores problemas ambientais.
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As principais características das PCHs são: • Possuir rápida entrada no sistema de potência e flexibilidade para mudar rapidamente a quantidade de energia fornecida ao sistema por causa das mudanças a demanda. Usinas com essa característica são especialmente úteis para aumentar o rendimento e melhorar o desempenho de um sistema elétrico interligado; • Apresentar baixos custos de operação e manutenção, bem como de produção de energia; • Apresentar características mais suaves (soft) de inserção ambiental.
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Recapacitação • Repotenciação: aumento da potência de saída e/ou do valor da eficiência da turbina e do gerador; • Tempo de parada: redução do tempo de parada para manutenção, preditiva e não preditiva; • Sobrevida: aumento da vida útil dos equipamentos principais da usina; • Disponibilidade: redução de problemas com vibração e cavitação, além de redução de problemas mecânicos que poderiam resultar numa falha catastrófica.
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Potência Gerada e Energia Produzida As principais variáveis de uma central hidrelétrica que atuam diretamente na potência elétrica possível de ser gerada são a altura de queda d’água e a vazão da água passando pelas turbinas. P = TOT* g * QH Em que: TOT : rendimento total do conjunto g: aceleração da gravidade (9,8 m/s2) Q: vazão (m3/s) H: queda bruta (m) P: potência elétrica (kW)
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A energia produzida por essa central, durante um ano, é dada por: E = P. FCU . 8.760 horas Em que: P é a potência máxima fornecida durante o ano (que pode se confundir com a potência instalada) FCU é o Fator de Capacidade da Usina, ou seja, a relação entre a potência média no ano e a potência máxima (de pico) 8760 é o número de horas no ano.
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Aspectos básicos para inserção no meio ambiente Identificação dos principais impactos ambientais: • Estabilidade das encostas; • Assoreamento; • Aspectos paisagísticos; • Recursos minerais; • Hidrogeologia; • Qualidade das águas; • Solos; • Vegetação e fauna.
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Identificação dos principais impactos ambientais Socioeconomia: • Impacto demográfico; • A qualidade de vida da população; • As oportunidades de trabalho; • A desapropriação de terras produtivas; • Durante o período de construção, alterações de várias ordens irão ocorrer, provocando transtornos à população local; • As obras das represas produzirão acidentes de trabalho, aumento de doenças sexualmente transmissíveis e da violência; • O incremento do tráfego, sobretudo de veículos pesados, poderá acarretar um aumento de acidentes de trânsito; • A restrição de áreas normalmente utilizadas para o lazer;
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• O enchimento dos reservatórios levará a um aumento dos acidentes com animais peçonhentos; • Uma vez cheio o lago, haverá a formação de ambientes propícios à proliferação de diversos outros vetores; • Do ponto de vista econômico, a construção das hidrelétricas poderá criar potencial para promover o desenvolvimento regional; • Ao término das obras de uma infraestrutura que poderá ser reaproveitada sob diversas formas, a serem definidas.
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