Introdução
A construção de barragens é uma das mais antigas e fundamentais atividades da engenharia civil.
Todas as grandes civilizações realizaram grandes obras para armazenar água.
Contudo, cada barragem é uma estrutura individual e peculiar que precisa se adaptar à hidrologia e geologia locais.
As barragens podem ser classificadas nos seguintes tipos:
- Aterro
- Concreto
As barragens de aterro são as mais comuns no mundo, representando cerca de 83% e as barragens de gravidade são as segundas mais comuns, representando 12%.
A Tabela abaixo apresenta as barragens mais altas do mundo. Observa-se que o limite de 300m tem sido mantido em todo o mundo.
Represa |
País |
Altura (m) |
|---|---|---|
| Rogun | Tadjikistan |
335 |
| Nurek | Tadjikistan |
300 |
| Xiaowan | China |
292 |
| Grand Dixence | Suiça |
285 |
| Inguri | Georgia |
272 |
| Manoel Torres | Mexico |
261 |
A Tabela abaixo mostra os projetos com maiores reservatórios no mundo. Observa-se que o reservatório de Tucuruí, o maior do país com 50 km3 de volume, é cerca de apenas 30% dos maiores reservatóios do mundo.
Isto significa que não somos os grandes vilões mundiais no impacto ambiental de barragens.
| Represa | País | Altura | Reservatório (km3) |
|---|---|---|---|
| Kakhovskaya | Ucrânia |
37 |
182 |
| Kariba | Zambia |
128 |
181 |
| Bratsk | Russia |
125 |
169 |
| Assuan | Egito |
111 |
169 |
| Akosombo | Gana |
134 |
153 |
| Daniel Johnson | Canada |
214 |
142 |
Estimativa do Potencial Hidrelétrico
Os parâmetros básicos de um aproveitamento hidrelétrico são:
- Altura nominal da queda;
- Variação da altura da queda;
- Vazão nominal;
- Área do Reservatório;
- Volume do Reservatório;
- Fator de Capacidade;
- Número de Máquinas;
- Potência Nominal das Máquinas;
- Potência Total Instalada.
Além da geração de energia elétrica, os reservatórios possuem as seguintes funções:
- Abastecimento de água para consumo humano;
- Recebimento de rejeitos líquidos;
- Abastecimento de água para atividades agropecuárias;
- Controle de cheias;
- Piscicultura e aqüicultura;
- Navegação.
Estas funções são tão, ou mais, importantes do que a geração de energia elétrica e não devem ser minimizadas.
Contudo, atendê-las significará sempre reduzir a geração de energia.
Os parâmetros básicos de um reservatório são apresentados na Figura abaixo.
As equações de balanço hídrico podem ser rescritas, para o reservatório, da seguinte maneira:
Onde:
- Qat é a vazão afluente no instante t;
- ht é a altura da água no reservatório, relativa a uma referência, no instante t;
- Vt é o volume do reservatório no instante t;
- At é a área da superfície do reservatório no instante t;
- Pt é a precipitação no reservatório no instante t;
- Et é a evaporação do reservatório no instante t;
- Qet é a vazão efluente turbinada no instante t;
- Qvt é a vazão efluente vertida no instante t.
Esta expressão nos mostra que o volume do reservatório pode aumentar e diminuir dependendo de diversos fatores.
Contudo, na avaliação de potencial dos aproveitamentos é necessário responder às seguintes questões:
- Qual a maior carga que está usina poderá alimentar sozinha continuamente durante todo o ano?
- Qual o risco de não haver água suficiente em determinado ano para alimentar esta carga?
- Como aproveitar a água excedente durante os anos ou meses de maior vazão?
- Qual o risco de vazões superiores às vazões registradas?
- Quais os limites mínimos e máximos do volume de um reservatório?
Essas questões são básicas para a análise da viabilidade econômica do aproveitamento hidrelétrico e para o projeto das barragens.
A primeira questão nos leva às definições de Energia Firme e Energia Assegura, a segunda questão nos leva ao problema do risco hidrológico, a terceira à questão da energia secundária e a última à questão do controle de cheias.
Energia Firme
Segundo Elliot, a Energia Firme é a energia suprida por uma usina, que não pode ser suprida por nenhuma outra, e, no caso de hidrelétricas, é a energia possível de ser produzida no período crítico.
Elliot define o período crítico como sendo o pior ciclo hidrológico ou o único ocorrido uma vez em 20 anos. Isto significa uma probabilidade de ocorrência de 5%.
De acordo com a Aneel, Energia Firme corresponde à máxima produção contínua de energia que pode ser obtida supondo a ocorrência da seqüência mais seca registrada no histórico de vazões do rio onde está localizada.
De acordo com o ONS, a Energia Firme é a energia média gerada no período crítico do Sistema Interligado Nacional - SIN - com configuração apenas hidráulica.
Para o ONS, o período crítico é aquele, em que o reservatório inicialmente cheio, e sem reenchimento total intermediário, é deplecionado ao máximo.
Evidentemente, esta definição incorpora a questão da operação e, por isso, a energia firme deixa de ser uma característica intrínsica do aproveitamento.
O período considerado tem sido de Jun/49 a Nov/56, mas este período talvez seja revisto devido ao racionamento de 2001.
A metodologia brasileira procura considerar as sinergias dos diversos reservatórios enquanto a metodologia Elliot considera o aproveitamento hidrelétrico isolado.
De acordo com o Manual de invent�rio do MME, a energia firme de um uma usina pode ser calculada de forma simplificada pela seguinte expressão:
Onde:
- Hlm é a queda l�quida m�dia[m];
- Qlm é a vaz�o l�quida m�dia do período crítico[m3/s].
O fator 0,0088 considera rendimentos de 97% para o gerador e 93% para a turbina.
Energia Firme de Usinas a Fio d'água
O cálculo da energia firme de aproveitamentos a fio d´água é mais simples porque a altura da queda não varia. Consequentemente, a queda líquida média é igual a queda nominal.
Neste caso, a energia firme passa a depender apenas da vazão.
A figura abaixo apresenta a vazão média mensal, a vazão mínima mensal e a vazão de 1954/1955, que apresentou a menor média histórica mensal de Simplício.
Observamos que o ano crítico se aproxima muito do cenário de mínimos mensais mas, mesmo assim, não podemos garantir que não existirá um cenário futuro pior.
Aplicando o conceito de Elliot a Simplício, observamos que o pior volume diferencial anual foi de -4,83 pu em 1954, que equivale a uma vazão média de 0,6 pu no ano.
Considerando que a produtibilidade desta usina é de 0,9275 MW/m3/s e a MLT é igual a 410,86 m3/s, a produtibilidade em pu será dada por:
a energia firme de acordo com Elliot será igual a:
Considerando a metodologia do ONS aplicada aos dados normalizados, a energia firme de Simplício é de 312 MWm.
Por que estes números são tão diferentes?
Porque não consideramos a participação das usinas a montante.
Pela definição de energia firme no Brasil, considera-se que todo o volume útil disponível nos reservatórios a montante foi utilizado. Desta maneira, a vazão líquida média durante o período crítico passa a ser dada pela expressão abaixo:
Onde:
- Qn é a média da vazão natural afluente líquida durante o período crítico (m3/s);
- T é o tempo de duração do período crítico (s);
- M é o número total de aproveitamentos a montante;
- Vu é o volume útil do aproveitamento k (m3);
- Vesp é o volume de espera no aproveitamento k no início do período crítico (m3);
- Vev é o volume evaporado médio no aproveitamento k durante o período crítico.
Energia Firme com Reservatórios de Acumulação
Quando o aproveitamento possui reservatório, a queda líquida média não é mais constante porque pelo menos parte significativa do volume armazenado é utilizado durante o período crítico.
Se não considerarmos aproveitamentos a montante, este volume deplecionado é estimado, de acordo com o manual de invent�rio, como sendo a metade do volume útil mais o volume de espera.
Isto significa que, durante o período crítico, o reservatório foi esvaziado do seu volume máximo ao volume mínimo tendo ficado, na média, com metade do volume.
Quando existem reservatórios a montante,......
No entanto, mesmo aumentando o número de usinas hidrelétricas, é impossível eliminar totalmente o risco hidrológico.
Energia Assegurada
Conforme foi visto, a Energia Firme é a energia média durante o período crítico, que pode ser anual ou plurianual. Isto significa que, devido ao ciclo hidrológico anual, a energia disponível para alimentar as cargas poderá ser inferior à Energia Firme durante algum período de tempo.
Em função disso, criou-se o conceito de Energia Assegurada.
Segundo Elliot, Energia Assegurada é a máxima energia que uma usina pode fornecer durante seu pior ciclo hidrológico com uma dada demanda máxima.
A figura abaixo explica o conceito de forma direta. Observa-se que a energia assegurada está diretamente associada a menor vazão do pior ciclo hidrológico.
Contudo, a aplicação direta deste conceito inviabiliza as hidrelétricas.
Para resolver este problema, a Aneel utiliza a seguinte definição:
"a Energia Assegurada do sistema elétrico brasileiro é a máxima produção de energia que pode ser mantida (quase) continuamente pelas usinas hidroelétricas ao longo dos anos, simulando a ocorrência de cada uma das milhares possibilidades de seqüências de vazões criadas estatisticamente, admitindo um certo risco de não atendimento à carga, ou seja, em determinado percentual dos anos simulados, permite-se que haja racionamento, dentro de um limite considerado aceitável para o sistema.
Na regulamentação atual, este risco é de 5%.
Desse modo, a determinação da energia assegurada independe da geração real e está associada às condições no longo prazo que cada usina pode fornecer ao sistema, assumindo um critério específico de risco do não atendimento do mercado (déficit), considerando principalmente a variabilidade hidrológica à qual a usina está submetida. Nos cálculos das energias asseguradas são desconsiderados ainda os períodos em que a usina permanece sem produzir energia por motivos de manutenções programadas e paradas de emergência.
Considera-se energia assegurada de cada usina hidroelétrica a fração a ela alocada da energia assegurada do sistema. A operação cooperativa do parque gerador brasileiro foi historicamente adotada visando garantir o uso eficiente de recursos energéticos no país. Com a introdução da competição no segmento de geração de energia e o aumento do número de agentes, optou-se pela manutenção da operação centralizada das centrais geradoras hidroelétricas visando a otimização do uso dos reservatórios e a operação com mínimo custo do sistema.
A contabilização do Mecanismo de Realocação de Energia - MRE é uma importante aplicação dos valores de energia assegurada. O MRE é um mecanismo financeiro que objetiva compartilhar os riscos hidrológicos que afetam os geradores, na busca de garantir a otimização dos recursos hidrelétricos dos sistemas interligados. A intenção é garantir que todos os geradores dele participantes comercializem a Energia Assegurada que lhes foi atribuída, independente de sua produção real de energia, desde que as usinas integrantes do MRE, como um todo, tenham gerado energia suficiente para tal.
Em outras palavras, por meio do MRE a energia produzida é contabilmente distribuída, transferindo o excedente daqueles que geraram além de sua Energia Assegurada para aqueles que geraram abaixo por imposição do despacho centralizado do sistema.
A energia gerada pelo MRE pode ser maior, menor ou igual ao total de energia assegurada das usinas participantes do MRE, conforme descrito a seguir:
Se a soma da energia gerada pelas usinas for maior ou igual à soma das suas energias asseguradas, haverá um excedente de energia, denominado Energia Secundária, que será também realocado entre os geradores;
Se a soma da energia gerada pelas usinas for menor que a soma das suas energias asseguradas, não haverá energia suficiente para que todos os geradores recebam a totalidade de sua energia assegurada. Será, então, calculado para cada gerador, na proporção de sua energia assegurada, um novo valor de energia disponível, apenas para efeito do MRE."
O cálculo da Energia Assegurada exige simulações complexas. Ela inicia com os reservatórios cheios e o balanço hidráulico é simulado durante 10 anos para estabilizar os níveis dos reservatórios.
A partir desse ponto, a carga é ajustada de tal forma a obter déficit de energia em 5% das séries de vazões simuladas a partir de um universo de cerca de 2000 séries sintéticas.
A fragilidade desta metodologia é a aceitação implícita de que existirá em algum momento um racionamento de energia. Por outro lado, o critério de Elliot não nos garante resultados melhores porque o histórico de vazões medidas é muito menor do que 2000.
Resumindo, a questão da energia assegurada é básica para a geração de energia no Brasil.
Se este valor for superavaliado para um determinado aproveitamento hidrelétrico ou para o sistema como um todo, o custo de geração diminui nominalmente mas o risco de déficit aumenta.
Por outro lado, se for subavaliada, o custo de geração aumenta mas o risco de déficit diminui.
Sistema de Geração Hidrelétrica
O sistema de geração elétrica, utilizando gerador síncrono, pode ser visto na figura abaixo.
No caso da geração hidrelétrica, a conversora de energia é a turbina hidráulica.
O sistema de regulação de tensão é similar para todas as fontes de geração convencionais. Contudo, o sistema de controle de velocidade ou frequência depende da máquina de conversão de energia.
No caso da geração hidrelétrica, como o combustível é a água, o controlador de velocidade atua na válvula de admissão da turbina.
O sistema de medição deve ficar entre o gerador e seu disjuntor para que os controladores continuem funcionando mesmo após a atuação da proteção.
O transformador elevador pode ser compartilhado com mais geradores na mesma usina e a determinação do número máximo de geradores conectados num único transformador depende de questões econômicas, questões de confiabilidade e potência de curto circuito no barramento de baixa e de alta tensão.
A alimentação dos serviços auxiliares pode ser feita a partir do terciário do transformador elevador e, apesar de normalmente ter sua importância subestimada, os grandes acidentes em usinas geradoras de energia estão direta ou indiretamente associados a falhas nos serviços auxiliares.
Escolha da Turbina Hidráulica
O primeiro passo para a escolha da turbina a ser utilizada é a determinação da velocidade específica do projeto.
Contudo, para se determinar a velocidade específica de um projeto utilizando-se a expressão anterior, necessita-se saber a velocidade real de rotação, a potência e a queda.
A velocidade real depende, de acordo com a expressão abaixo, do número de pólos do gerador síncrono utilizado e da frequência da rede elétrica.
Onde:
- N é a velocidade síncrona de rotaçãodo gerador [rpm];
- f é a frequência [Hz];
- p é o número de paraes de pólos do gerador síncrono.
onde:
- Ns é a velocidade específica da turbina.
Como normalmente no início do projeto sabe-se apenas a queda, utiliza-se uma das expressões empíricas abaixo para determinar a velocidade específica da turbina: