Olá Energistas! Vamos conversar mais sobre as fontes de energia. Neste post vamos falar mais sobre as Usinas Hidrelétricas.

Esse tipo de usina aproveita a água dos rios para gerar energia elétrica. Podemos chamar de usinas hidrelétricas, hidroelétricas, hidráulicas ou hídricas, todas essas nomenclaturas estão corretas.

De acordo com o Balanço Energético Nacional de 2020, referente ao fechamento de 2019, as Usinas Hidrelétricas são responsáveis por 64,9% da geração de energia elétrica no país.

Ou seja, a energia que as Usinas Hidrelétricas geram equivale a mais da metade da matriz elétrica brasileira, como podemos ver no gráfico publicado no Relatório Síntese BEN 2020.

Balanço Nacional 2020 de Geração Elétrica

Pelo fato de as Usinas Hidrelétricas serem tão representativas, conhecer um pouco mais desta fonte é fundamental.

Portanto, hoje você vai aprender tudo sobre Usinas Hidrelétricas, veja:

  1. Classificação das Usinas Hidrelétricas
  2. Como Funciona uma Usina Hidrelétrica
  3. Componentes de uma Usina Hidrelétrica
  4. Vantagens de Desvantagens da geração hidrelétrica

Então, vamos lá?!

CLASSIFICAÇÃO DAS USINAS HIDRELÉTRICAS

Podemos classificar as Usinas Hidrelétricas de acordo com as características geográficas onde será instalada, sua altura de queda d’água, vazão, pela sua capacidade instalada, pelo tipo de turbina que será empregada.

Isso significa que todas essas características serão interdependentes. Ou seja, a altura de queda d’água e a vazão determinarão o potencial elétrico da usina, logo, isso definirá a turbina utilizada, sua capacidade de reservatório, etc.

No entanto, a potência instalada da Usina Hidrelétrica determina a sua classificação perante a Aneel.

Dito isto, a Aneel adota três classificações.

Contudo, o tamanho do reservatório é um fator que pode afetar a classificação da usina, por exemplo, usinas com reservatório acima de 13 km² podem se enquadrar como UHEs.

No mais, o porte das Usinas também determinará as dimensões das linhas elétricas adequadas para injetar energia elétrica na rede.

Então, vamos entender como funcionam essas usinas?

COMO FUNCIONA UMA USINA HIDRELÉTRICA

Em suma, as Usinas Hidrelétricas funcionam por meio de turbinas, que possuem pás ou hélices que giram devido à força das águas, através do aproveitamento da energia potencial gravitacional em cinética, depois mecânica e elétrica.

Primeiramente, para que exista um potencial hidráulico, é necessário para a Usina Hidrelétrica a captação de água, que geralmente ocorre através da construção de uma barragem, para formação de um reservatório.

Assim, o reservatório da usina acumulará água em quantidade suficiente para um volume ser conduzido para as turbinas.

Em seguida, um circuito hidráulico transportará a água até as turbinas, podendo este ser composto por um túnel, canal ou conduto (ou a junção de todos).

Esse caminho é construído de um nível mais alto para um nível mais baixo, para que a água ganhe velocidade na queda, por gravidade.

Por fim, a movimentação da água passará pelas turbinas.

As turbinas da Usina Hidrelétrica, ao acoplar seu eixo ao gerador, o farão produzir energia elétrica. Por fim, uma subestação elevadora conduzirá a energia gerada pela usina à rede elétrica.

Assim, conseguimos entender melhor esta dinâmica na imagem abaixo. Esta imagem exemplifica a composição de uma Usina Hidrelétrica.

Usina Hídrica

A construção de Usinas Hidrelétricas sempre se dá em locais onde podem ser aproveitados dois pontos:

– os desníveis naturais dos cursos dos rios e

– a vazão deste rio.

Por isso, é importante verificar se o curso d’água possui vazão e queda suficiente para a produtividade de energia elétrica desejada.

COMPONENTES DAS USINAS HIDRELÉTRICAS

Os componentes de usinas hidrelétricas, em geral, são parecidos. Ou seja, haverá um sistema de reservatório de água em um nível superior da usina, ou a montante, um sistema de captação e condução da água e uma casa de força responsável pela geração e transformação.

Os principais componentes de uma Usina Hidrelétrica são:

  1. Reservatório
  2. Circuito Hidráulico – Tomada de água, canal de adução e conduto forçado
  3. Casa de Força
  4. Canal de Fuga

No entanto, dependendo do arranjo (layout dos componentes) da Usina Hidrelétrica, a maneira como se apresentam alguns desses componentes será diferente.

1. Reservatório

Em resumo, a barragem formará o reservatório de uma Usina Hidrelétrica, que acumulará uma certa quantidade de água à montante, antes da captação.

Em suma, a utilização do estoque de água possui funcionalidade em dois tipos de usina: De regularização e a fio d’água.

Reservatório de Usinas Hidrelétricas com regularização de vazões

A barragem criará um desnível, necessário para gerar a vazão suficiente para a geração de energia elétrica. Este recurso para otimizar a vazão da usina é a regularização de vazão.

A regularização de vazão visa não somente a acumulação de água para propiciar a vazão favorável para a usina, mas também para em períodos de seca, ou de menor incidência de chuvas, possuir reserva de água para o funcionamento da usina.

Reservatório de Usinas Hidrelétricas a Fio d’água

Em contrapartida, as Usinas Hidrelétricas a Fio d’água não possuem reservatório de regularização da vazão, ou seja, não se tem o controle da água que pode ficar acumulada no reservatório, mantendo-se o curso natural do rio.

Usina Hidrelétrica com Intermitência

2. Circuito Hidráulico

Os componentes responsáveis por fazerem a água sair do reservatório e chegar até à casa de máquinas constituem o sistema de vazão (circuito hidráulico) da Usina Hidrelétrica.

Em geral, os seguintes equipamentos compõem o circuito hidráulico:

  • Tomada de água
  • Canal de Adução
  • Câmara de carga
  • Conduto forçado

Tomada de água

A tomada de água da Usina Hidrelétrica funciona como o sistema de entrada para conduzir a água do reservatório para dentro do conduto forçado.

Dentre seus equipamentos importantes para o seu funcionamento adequado, podemos destacar a grade de proteção, para evitar a passagem de detritos que podem danificar os equipamentos da usina.

Juntamente a grade proteção, o limpador de grades evitará o acúmulo excessivo de detritos na grade de proteção. Sua função é garantir que o fluxo de água sem grandes perdas de carga.

Por fim, para que a limpeza da grade de proteção da Usina Hidrelétrica seja feita periodicamente, um sistema de monitoramento de perda de carga indica quando isto é necessário. Este monitoramento também permite avaliar possíveis melhorias no sistema.

Canal de Adução

O Canal de Adução da Usina Hidrelétrica tem como função escoar o fluxo de água com o mínimo de perda de carga.

Isso significa que o Canal de Adução não possui uma inclinação acentuada, para permitir que a água flua sem perturbações devido à gravidade.

O fluxo hídrico passa pelo canal de adução até a Câmara de Carga, responsável por realizar a transição da água do Canal para o Conduto Forçado.

Canal de Adução de Hidrelétrica

Câmara de Carga

A Câmara de Carga da Usina Hidrelétrica fará a conexão entre o trecho do circuito hídrico de baixa pressão para o trecho de alta pressão.

Isso significa dizer que a Câmara de Carga fará a transição do fluxo d’água que vem do Canal de Adução, de baixa pressão, para o Conduto Forçado, de alta pressão.

Ou seja, a Câmara de Carga será responsável por aliviar o chamado Golpe de Aríete, que ocorre devido a variações de vazão oriundas do fluxo da água e fornecer água para o Conduto Forçado.

Câmara de Carga de uma Usina Hidrelétrica

Conduto Forçado

O Conduto Forçado da Usina Hidrelétrica conduzirá o fluxo de água proveniente do canal de adução para a casa de força, transportando a água sob alta pressão para que a água ganhe força para movimentar as turbinas.

As dimensões do conduto forçado, seu diâmetro e comprimento, variam de acordo com as características de cada projeto. Contudo, é preciso se atentar as pressões que o conduto suportará durante a operação da usina.

Conduto Forçado de Hidrelétricas

Canal de Fuga

O Canal de Fuga possui a função de redirecionar ao rio o fluxo de água que circulou pela Usina Hidrelétrica.

O Canal de Fuga direciona a água que passa pelas turbinas, que vem desde o reservatório até a geração de energia elétrica para garantir seu retorno ao leito natural do rio.

Sendo assim o Canal de fuga conclui o circuito hidráulico da Usina Hidrelétrica.

Canal de fuga

4. Casa de Força

Finalmente, na Casa de Força (ou Casa de Máquinas), é onde a “magia” acontece.

A Casa de Força da Usina Hidrelétrica comporta os equipamentos responsáveis pela geração de energia elétrica do sistema.

A Casa de Força, em suma, abriga as turbinas, os geradores, equipamentos auxiliares como regulador de velocidade

Turbinas

As turbinas hidráulicas são consideradas um dos principais equipamentos da casa de força de uma Usina Hidrelétrica.

Por estarem acopladas mecanicamente no gerador através do seu eixo, a energia elétrica será gerada a partir do movimento das pás da turbina, pela passagem de água.

Classificamos as turbinas hidráulicas em dois tipos básicos:

Turbinas de Ação ou Impulso: Nesse modelo a turbina converte a energia hidráulica em energia cinética quando a água incide nas pás do rotor da turbina. Como exemplo de turbina de ação, temos a turbina Pelton.

Na turbina Pelton, a passagem de água ao se chocar com as conchas geram o impulso necessário para movimentar a turbina.

Turbinas de Reação ou Sobrepressão: As turbinas de reação possuem seu rotor completamente submerso na água. São comumente chamadas de rotor afogado. Neste sentido, o fluxo de água atravessa a turbina, girando seu eixo. As turbinas de reação possuem dois tipos de escoamento, radial e axial.

Turbina Radial: o fluxo de água se movimenta como se contornasse as paletas da turbina. Por exemplo a Turbina Francis.

Turbina Axial: o fluxo de água se movimenta em direção as paletas da turbina. Por exemplo, a turbina Kaplan.

Turbina Kaplan Hidrelétrica

A escolha do tipo de turbina para a Usina Hidrelétrica passará pela análise dos parâmetros de vazão e queda líquida da usina, que é a altura entre o volume máximo do reservatório e a altura do canal de fuga.

VANTAGENS DAS USINAS HIDRELÉTRICAS

As Usinas Hidrelétricas possuem como maior benefício a utilização de água para geração de energia elétrica. Ou seja, por se tratar de uma fonte eficiente, limpa e renovável, é amplamente utilizada mundialmente.

A geração de energia hidrelétrica não causa emissão de poluentes, como na queima de combustíveis fósseis, na operação de Usinas Termelétricas, por exemplo.

Além dos benefícios ambientais, é uma fonte de energia estável. Apesar de haver variações nos ciclos das chuvas, geralmente é utilizada para garantir o mínimo de energia exigida.

Pelo fato da utilização de reservatórios, o ajuste do fluxo de água torna as Usinas Hidrelétricas uma fonte de energia flexível. Ou seja, em ocasiões onde a demanda de energia é baixa, a água pode ser mantida nos reservatórios até que o consumo exija uma maior demanda de energia.

Desvantagens das Usinas Hidrelétricas

Em contrapartida, para a implementação das Usinas Hidrelétricas, para arranjos que possuem um grande reservatório, o alagamento da área do reservatório pode afetar as condições ambientais do local.

No aspecto técnico, as Usinas Hidrelétricas a Fio d’água, por não possuírem um reservatório de acumulação, podem estar sujeitas a maior variação de geração devido as mudanças climáticas e períodos de seca.

CONCLUSÃO

Chegamos ao fim do post. Vamos revisar alguns pontos importantes para fixarmos o conteúdo:

  • As usinas hidrelétricas representam uma parcela significativa da geração de energia do Brasil, sendo uma fonte renovável, não gerando impactos ambientais na emissão de gases poluentes.
  • É importante considerar os aspectos geográficos do local que se deseja instalar uma Usina Hidrelétrica. Características como a altura de queda d’água e vazão local também determinarão suas características como potência instalada e equipamentos utilizados.
  • As usinas hidrelétricas também podem ser classificadas quanto a sua potência (CGH, PCH ou UHE) e ao seu tipo de reservatório, sendo de Acumulação ou Fio d’água.

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Até o próximo post!

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