Usinas Hidrelétricas

“Você não pode pisar duas vezes no mesmo rio porque a água flui constantemente aos seus pés.”

Heráclito

As usinas hidrelétricas ocupam pequeno espaço no mundo, mas representam a parcela mais importante no Brasil. Elas consistem em transformar a energia potencial da água em energia mecânica através da turbina hidráulica. Por sua vez, a energia mecânica aciona o gerador de energia elétrica, que converte a energia mecânica em eletricidade.

Introdução

Esta Figura (ONS) mostra o sistema de hidrelétricas brasileiro, com suas bacias hidrográficas, seus tipos e suas empresas concessionárias.

Observa-se que que existem diversas usinas em série num mesmo rio e usinas em série em afluentes que se juntam para formar rios maiores.

Isto significa que as usinas hidrelétricas não são independentes conforme mostrado nos próximos capítulos.

Classificação das Usinas Hidrelétricas

As usinas hidrelétricas se classificam em:

• • Usinas a Fio d’água;
  • Usinas com Armazenamento;
  • Usinas Reversíveis ou de Bombeamento.

As Usinas a Fio d’água se caracterizam pelo fato da vazão defluente ¹ ser sempre igual à vazão afluente. Isto significa que não existe armazenamento de energia na usina.

Esta denominação se origina dos primeiros aproveitamentos onde não havia reservatórios nem barragens, a usina funcionava com o fio d’água. Contudo, atualmente, existem usinas com barragens e grandes reservatórios que funcionam desta maneira.

Por exemplo, Itaipu consiste no maior exemplo deste tipo de usina.

Portanto, a definição deste tipo de usina se relaciona mais com o tipo de operação do que com a existência de reservatório.

Por outro lado, as Usinas com Armazenamento requerem necessariamente reservatórios e barragens, mas a vazão defluente independe da vazão afluente, dentro de certos limites operacionais.

Finalmente, as Usinas Reversíveis ou de Bombeamento se compõem de duas usinas separadas fisicamente, com reservatórios de armazenamento em ambas, e com turbinas reversíveis na usina situada em cota mais baixa. Desta maneira, a usina localizada no nível inferior pode bombear água para o reservatório mais elevado, tornando possível armazenar energia durante a noite para utilizá-la durante o dia.

Contudo, o custo dessas instalações as tornou economicamente inviáveis porque o investimento é o dobro do das usinas convencionais e não existe ganho energético.

Energia Hidrelétrica

A equação 1 fornece a energia potencial da água armazenada em função da altura.

Onde:

• • Ep – é a energia potencial [J = N.m];
  • m – é a massa da água [kg];
  • g – é a aceleração da gravidade [9,8 m/s2];
  • H – é a queda [m].

O produto da massa pela aceleração da gravidade corresponde à força peso [N] da água armazenada.

Por sua vez, o produto desta força pela altura da queda representa o trabalho realizado pelo deslocamento desta massa de água e tem dimensões de energia.

Como, a massa da água é dada por:

Onde:

• • m é a massa da água [kg]
  • ρ é a densidade da água [1000 kg/m³];
  • V é o volume de água [m³];

A energia potencial possível de ser retirada de um volume de água, caindo de uma altura H é igual a:

Onde:

• • γ é o peso específico da água.

Observa-se que a energia armazenada na água depende do volume (V) e da queda hidráulica (H).

A potência associada à esta energia pode ser obtida da seguinte maneira:

Normalmente, como a variação da altura H é muito mais lenta do que a variação do volume, a derivada da queda pode ser considerada nula. Neste caso, a potência teórica máxima será dada por:

Onde:

• • Q é o fluxo de água [m3/s];
  • H é a queda [m];
  • P é a potência [W].

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, conforme a equação abaixo:

Onde:

• • η_h é o rendimento do circuito hidráulico;
  • η_t é o rendimento da turbina;
  • η_g é o somatório das perdas elétricas e do consumo dos serviços auxiliares.

Observa-se que a energia hidrelétrica depende do volume e da altura da queda e a potência elétrica da altura e da vazão da água.

Fator de Produtibilidade Específica

Portanto, cada usina possui um fator, denominado de fator de produtibilidade específica – k, que multiplicado pela vazão e altura determina sua potência.

Onde:

• • η é o rendimento líquido global da usina;
  • k é o fator deprodutibilidade específico [ MW.s/m⁴].

Pode-se definir o fator de produtibilidade a partir dos valores nominais das turbinas ou da usina . Porém, como a eficiência das turbinas hidráulicas varia, o fator de produtibilidade depende do ponto de operação das máquinas.

Portanto, a Equação 9 fornece a potência e a energia da usina hidrelétrica em função do fator de produtibilidade específica.

Fator de Produtibilidade

Durante a fase de planejamento ou no caso de usinas a fio d’água, a altura da queda permance constante ou indeterminada. Por isso,  utiliza-se nesses casos o fator de produtibilidade mostrado na Equação 10.

Maiores Hidrelétricas

Esse link apresenta as maiores hidrelétricas do mundo. A potência instalada da usina de Três Gargantas na China representa quase duas usinas de Itaipu, mas a energia gerada por Itaipu superava a gigante Chinesa até 2021. Por que isso ocorreu?

A Tabela abaixo apresenta os maiores reservatórios brasileiros segundo os volumes máximos e volumes úteis. ²

Maiores Reservatórios Brasileiros

Nome	Volume Max (km3)	Volume Útil (km3)
Três Marias	19,53	15,3
Água Vermelha	11,03	5,17
Ilha Solteira	21,0	12,8
Sobradinho	34,1	28,7
Tucuruí	50,28	39
Serra da Mesa	54,4	43,25
Furnas	22,95	17,2
Itumbiara	17	12,5
Itaipu	29	0
Salto Santiago	6,78	4,11
Balbina	19,96	10,224
Emborcação	17,725	13,056
Três Irmãos	13,372	3,449
Nova Ponte	12,792	10,38
São Simão	12,54	5,54

Fonte: ONS