Hidráulica Aplicada Primeira Parte

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1 Hidráulica Aplicada Primeira Parte Setor elétrico brasileiro O setor elétrico brasileiro é tido como um sistema de grande porte, tanto em grau de interconexão, como em capacidade instalada e extensão. Pode-se dizer que o sistema é complexo, vez que é dividido entre quatro sub-mercados regionais (sul, sudeste/centro-oeste, norte e nordeste), envolvendo agentes privados e estatais, apresenta característica hidrotérmica (predomínio de hidrelétricas) regulados por um ambiente político-econômico, institucionalmente instável. Dos mercados regionais, 70% da energia encontra-se armazenada em reservatórios do sudeste (quadrilátero dos reservatórios), que importa energia boa parte do ano (predomínio do uso múltiplo das águas). A região nordeste contribui com cerca de 20% de energia armazenada e também se mostra um grande importador de energia (estações secas muito intensas precipitações mal distribuídas). Como exportadora, temos a região norte (vazios demográficos baixo consumo). A região sul apresenta variabilidade hídrica bem maior, bem difícil de se prever o sentido do fluxo de energia. O potencial hidrelétrico da bacia do Amazonas é de cerca de 40%, sendo utilizado em apenas ¼ de sua capacidade total. Outras regiões apresentam potenciais menores, mais bem aproveitados. Um dos grandes impedimentos é o custo de implantação (faixas de custo máximas em torno de US$ 50/MWh). O parque hidrelétrico brasileiro localiza-se entre os 5 maiores do mundo, sendo que seu potencial aproveitado é de apenas 24%. Países como França, Alemanha, Japão, Noruega e EUA apresentam melhores índices de aproveitamento hidráulico. O Brasil é o terceiro do mundo em produção e em potencial hidrelétricos e o segundo em fator de capacidade. O fator de capacidade é definido como a produção energética e a capacidade teórica máxima de produção (rendimento). O Brasil é o primeiro país do mundo em presença de recursos hídricos, seja originado em seu território, como em territórios vizinhos. Matriz energética A matriz energética brasileira é composta aproximadamente por cerca de 45% de fontes renováveis de energia a média não chega a 10% nos países desenvolvidos. Se considerarmos apenas a geração elétrica, o nível de utilização de fontes renováveis chega a aprox. 80%. A produção energética do Brasil ainda é predominantemente pública e atinge aproximadamente 400TWh anuais. A matriz elétrica recorte do segmento elétrico da matriz energética mostra uma presença de 70% nas hidrelétricas e de cerca de, em expansão, 10% termoelétricas.

2 Ainda no contexto matriz elétrica, existem alguns termos que devem ser definidos: UHE usina hidrelétrica; PCH pequena central hidrelétrica (<30MW), UTE usina termelétrica; UTN usina termonuclear. Processo Hidrelétrico Etapas 1) EPE Empresa de Pesquisa energética. Estudos de inventário. Levam cerca de 2 anos; 2) Estudos de viabilidade. Levam cerca de 1 ano; Após este período inicial emite-se a licença prévia e o MME/ANEEL abrem um processo licitatório o acesso ao recurso deve ser público. Este processo leva no mínimo 6 meses. 3) O empreendedor vencedor da licitação desenvolve o projeto básico e recebe a licença de instalação (~1 ano); 4) Com a licença de instalação inicia-se a construção, que leva no mínimo 4 anos e recebe a licença de operação; De posse da licença de operação, inicia-se a comercialização da energia elétrica produzida e as sucessivas renovações da licença. Consumo de energia Depende do crescimento econômico e do crescimento populacional. Consumo residencial caiu drasticamente com o racionamento energético (2001) e se estabilizou. Consumo nacional também caiu, mas vem recuperando terreno e já apresenta maiores valores que os apresentados pré-racionamento. Aproveitamento da energia hidráulica Depende dos conceitos físicos de energia potencial e cinética roda d água. A usina hidrelétrica visa transformar a energia hidráulica em energia elétrica. Deve apresentar, então, um dado fluxo de água e a presença de um desnível hidráulico natural ou criado (barragens). Barragens - Desviam o curso de um rio; - Formam um reservatório acumulação de vazão; - Asseguram a queda necessária para que a turbina acione. Tipos de barragens: terra (homogênea e não homogênea as últimas apresentam núcleo impermeável), enrocamento (núcleo de argila e terra com talude recoberto por pedregulhos e cascalho) e concreto. O principal fator de escolha das barragens é a presença, ou não, de dado material em campo. A barragem de terra (é a que apresenta menor inclinação, e, portanto, ocupa maior extensão de base garantia de estabilidade do

3 talude. Para se garantir a drenagem, a barragem de terra apresenta, também, um sistema de filtros de areia. Subtipos para barragens de terra: Seção homogênea Barragens de terra Terreno Impermeável Seção homogênea não Terreno Impermeável Seção homogênea Terreno Permeável Seção homogênea não Terreno Permeável Subtipos para barragens de enrocamento: Com paramento de montante impermeabilizado (concreto); Com núcleo interno de concreto, sem paramento impermeabilizado; Subtipos para barragens de concreto: -Gravidade: a estabilidade é garantida pelo peso-próprio; As forças atuantes em barragens deste tipo são: Peso da Barragem (W) Função da largura da crista e da base, bem como do peso específico do material usado em sua construção. c é a largura da crista e b a largura da base. h é a altura d água.

4 Resultante das forças hidrostáticas (Rw) Expressa em função da altura da coluna d água e do peso específico da água. Em barragens vertedoras desprezandose o volume de água acumulado na crista (Va*): Onde h2 é a altura total de água e h1 é a altura de água acima do vertedor. O ponto de aplicação x é o centro de gravidade do trapézio formado pelas pressões hidrostáticas: Forças de up-lift ou sub-pressões Responsáveis pelo erguimento da fundação da barragem. Pressão da coluna d água nos poros e proporcional ao gradiente de infiltração. I = h/l - > h é a variação de perda de carga e L é a distância percorrida. Outras forças - Empuxos de terra; - Peso de gelo; - Sismos; - Choques de ondas; - Efeitos da temperatura. Força resultante de todas as forças (R) *Considerando-se Va, determina-se a altura de remanso montante, utilizando-se a formula. à Para se calcular a estabilidade da barragem, considera-se dois tipos de forças: - Atuantes: a resultante da linha de pressões hidrostáticas e das pressões de fundo e seus respectivos momentos; - Resistentes: os pesos-próprios dos diversos segmentos de barragem e seus respectivos momentos (atuam no CG de cada segmento). Forças atuantes na barragem ao lado: P e Wu Forças resistentes: W1 a W6.

5 Verificações de resistências: Ao tombamento Ao deslizamento Tensões normais f é o fator de atrito, deve ser entre 0,7 e 0,8 para fundações apoiadas em rochas. e é a distância do ponto de aplicação ao C.G. x é a distância da base ao ponto de aplicação A tensão máxima é a de jusante e a mínima, de montante. Estas barragens eram construídas anteriormente utilizando-se alvenaria, com a desvantagem desta apresentar resistência inferior e grande permeabilidade. O formato típico destas barragens é triangular, com inclinação 0,8 para 1 na fase de jusante. Informações complementares: - A colocação de uma curva no plano horizontal pode melhorar a segurança; - Pode haver deformações na fundação (cisalhamento na base); - A técnica de concretagem compactada a rolo melhorou a rapidez na execução deste tipo de barragem. -Arco: o efeito arco garante melhor estabilidade. A forma curva permite que as pressões sejam transferidas para as ombreiras. É um tipo bastante usado em vales estreitos, mas se exige grandes escavações, pois a estabilidade depende da geologia (os esforços nas fundações são maiores). As relações usuais são 0.5 < c/b 1. Além disso, elas podem ser esbeltas (b/h < 0.2), médias (0.2 b/h < 0.3) e espessas (com b/h 0.3). As forças atuantes são as mesmas já discutidas anteriormente. Barragens em arco são mais econômicas que qualquer outro tipo de barragem e podem ser: De raio constante r

6 Múltiplos arcos, de raio variável, com ângulo 2 constante* *Formulação: Espessura: Raio de curvatura r: O ângulo ótimo é de 2α= (economia de concreto). -Com contrafortes: Reduz-se o consumo de concreto com a utilização de contrafortes (reforços espaçados) a jusante. Barragens vertedoras são aquelas em que vazões de cheia passam pela crista e as não vertedoras são aquelas que apresentam estruturas vertedoras para eliminar o excesso de água. Fatores determinantes do tipo da barragem: Topografia: gargantas estreitas com ombreiras rochosas permitem a construção de barragens em arco ou concreto-gravidade. A dificuldade no acesso obriga a utilização de material local. As barragens em arco são recomendáveis para relações entre largura e altura de vales menor que 3. Geologia e fundações: rochas sólidas admitem qualquer tipo de barragens. A presença de cascalho pode significar ambiente adequado para construção de barragens de terra e enrocamento. Presença de areia fina só permite a construção de barragens de terra ou concretogravidade, já a presença de argila significa construção de barragens de terra outros tipos de barragens colocarão a fundação em risco. Materiais disponíveis: procuram-se materiais locais para aterros, rochas para proteção e, até mesmo, agregados para o concreto. Tamanho e localização do vertedor: o vertedor pode se tornar uma obra de grandes extensões em rios de vazão variável. A barragem de terra pode ser construída aproveitando-se o material escavado. Considerações ambientais: a presença de reservas indígenas, sítios arqueológicos e patrimônio histórico se mostram proibitiva à construção de barragens. Estruturas e palavras-chave em construção de barragens: Tomada d água: possibilita uma descarga regularizada e préestabelecida, encaminhada até as turbinas. Pode ser superficial ou profunda. Tomadas d água profundas não são recomendadas em barragens altas pela dificuldade gerada em sua manutenção.

7 Canal de adução e galeria de pressão: os primeiros são comuns em sistemas abertos, os últimos em sistemas de seção fechada. Sua função é conduzir a água livremente, acumulando certa quantidade da mesma e viabilizar a conexão com seções fechadas. Podem terminar em câmaras de carga (canais de adução) e chaminés de equilíbrio (galerias). Chaminés de equilíbrio: comuns em galerias de pressão, estão presentes para aliviar o fenômeno do golpe de aríete, aliviando ou fornecendo carga, conforme o caso. Tubulações forçadas: objetivam vencer o desnível e podem ser aéreas ou externas, subterrâneas ou internas, única, e, também independente. Mecanismos de dissipação: visam reestabelecer condições de escoamento a jusante sem provocar erosões no maciço ou no leito do canal de fuga. Reduzem o fenômeno do ressalto hidráulico. Vertedores: promovem a descarga da vazão excedente, assegurando a estabilidade da barragem e possibilitando a irrigação de algumas áreas. Podem ser de três tipos: crista, superficial ou de comporta tipo setor. Estruturas de transposição: ou eclusas, possiblitam a transposição dos desníveis garantindo a navegação fluvial. Tubos de sucção (ou aspiração): conduzem a vazão turbinada ao canal de fuga, garantindo a recuperação da energia cinética residual. rio. Canal de fuga: devolve a vazão turbinada ao leito normal do Instrumentacão: garantem a segurança de uma barragem. Controle de tensões, deslocamentos, vazões e pressões. Casa de força: edificação que abriga os grupos geradores (turbina e gerador), aparelhos hidráulicos e elétricos de medição, bem como dispositivos de controle e manutenção. Subestação: visa, utilizando-se de transformadores, elevar a tensão da energia gerada de modo a reduzir as perdas em sua transmissão. Turbinas: são selecionadas em função da queda e da vazão turbinada. São de quatro tipos: Kaplan (quedas entre 2 e 40m), Francis (10 a 350m), Pelton (50 a 1300m) e Turgo (50 a 250m). Localização das hidrelétricas: - Depende da vazão e queda;

8 - Existências de vias para transportes de equipamentos de elevado peso e dimensão até o local da obra. - Sua fundação depende da configuração e textura geológica do terreno e da capacidade de drenagem do mesmo. - É função também dos: custos de desapropriação, a proximidade dos centros consumidores (custos de transmissão) e, principalmente, aspectos ambientais. Potência hidráulica bruta: Onde entram na fórmula, de maneira diretamente proporcional, os valores de queda e de vazão. A definição da variável principal, seja a queda ou a vazão, é função do que é apresentado na região. De modo geral, barragens baseadas em vazão (planícies) apresentam maior dimensão dos reservatórios e, portanto, custo maior. Barragens baseadas em quedas d água são de, certa forma, menos custosas. Classificação de usinas hidrelétricas: Tamanho: - PCH: pequena central hidrelétrica produção hidrelétrica superior a 1 MW e inferior a 30 MW; - Micro central hidrelétrica: produção inferior a 1 MW; Função da Usina: - Usina de base: mantém capacidade firme durante todo o tempo; - Usina de ponta: atendimento aos picos da curva de carga. Tipo de Aproveitamento: - Aproveitamento conjugado: casa de força localiza-se próxima; - Aproveitamento repartido: casa de força afastada; Função do aproveitamento: - Usinas a fio d água: não possui vazão regular em período superior a um mês; - Usinas com reservatório de regularização: capacidade de vazão praticamente constante durante o ano. Grandes barragens: - Mais que 15 m de altura; Entre 10 e 15m contendo: - mínimo de 500m de comprimento de crista; - mínimo de m³ de água acumulada; - vazão mensal acima de 2000 m³/s - barragem com fundação em difícil condição; - projeto não convencional.

9 O Brasil apresenta apenas 1% das grandes barragens do mundo. Nestas barragens, é comum o uso múltiplo da água, neste caso predomina: África e Ásia: América do Sul e Europa: Ásia Austral: América do Norte: irrigação; hidroeletricidade; abastecimento; uso bastante variado. As grandes barragens devem, para serem consideradas sustentáveis, atender e analisar objetivos principais: - Disponibilidade dos recursos; - Retorno energético; - Tempo de vida útil; - Eficiência tecnológica; - Incentivo às comunidades locais; - Impacto na emissão de carbono; - Área afetada; - Produção de resíduos. A hidreletricidade apresenta como vantagens: a produção de energia independente do consumo de combustíveis fósseis, produção energética de alto rendimento e grande vida útil, ser a única fonte renovável de produção de energia em grande escala, emissão de carbono reduzida quando comparada a outras fontes, impactos localizados em uma área específica, pode ser utilizada sob diferentes usos, os investimentos podem ser apenas locais, gera empregos diretos e indiretos e, por fim, sustenta grande maleabilidade. A visão sustentável se reflete nos projetos atuais para construção de hidrelétricas no Brasil, como se analisa na região norte. Nesta região, a primeira visão, de 1974, visava à construção de grandes usinas espaçadas no curso dos rios da região Norte. Atualmente, se considera a construção de usinas menores mais próximas, permitindo um melhor aproveitamento hidroelétrico, sem que haja a necessidade de alagamento de grandes áreas de floresta. Neste aspecto, a capacidade elétrica a ser instalada aumentaria de cerca de 17,5GW para cerca de 21,5GW reduzindo-se a taxa de alagamentos da ordem de 1,08km²/MW para cerca de 0,68km²/MW. A média deste índice no Brasil vem se elevando de 0,48km²/MW em 1989 para cerca de 0,52km²/MW em Isto acontece pois os rios de planalto, de melhor viabilidade econômica e, que necessitam de menores reservatórios - já foram quase que, em sua maior totalidade, aproveitados. Outro índice de sustentabilidade importante é o gráfico que relaciona os habitantes deslocados pelo índice de km²/mw.

10 Sob esta óptica, os novos estudos de inventário visam: considerar a utilização múltipla da água desde as fases iniciais, estimar o potencial hidroelétrico não aproveitado, garantir a proteção de reservas indígenas, áreas de proteção ambiental. Funções dos reservatórios: Níveis operacionais de um reservatório: Os reservatórios permitem um equilíbrio entre oferta e demanda de água, redistribuindo as vazões proporcionadas pela natureza. As funções dos reservatórios são diferentes de acordo com seu uso, geralmente, nos interessa a vazão e a qualidade do recurso hídrico fornecido. Mas muitas vezes, outras variáveis são interessantes, por exemplo: Aproveitamentos hidrelétricos: interessa a queda bruta; Turismo e recreação: interessa um grande perímetro molhado; Navegação: manutenção de profundidade mínima; Controle de cheias: capacidade de atenuação de cheias pouca variação no nível d água em face do volume armazenado; Podemos perceber que cada finalidade exige um local para construção de dado reservatório. Diz-se, então, que as condições naturais induzem os conflitos em obras de uso múltiplo. Estes conflitos podem ser agravados por incertezas nas demandas, estimativas errôneas de benefícios e prejuízos, problemas institucionais etc. Os reservatórios de uso múltiplo são preferíveis, pois: economiza-se em escala, apresenta-se melhor ante a sustentabilidade, a área inundada é menor e promove integração regional. As legislações brasileiras colocam como usos prioritários da águao abastecimento humano e a dessedentação animal. Controle de cheias em usinas hidrelétricas: Para garantir um menor impacto às populações próximas a barragens, deve-se admitir um volume de espera (inferior ao volume

11 máximo normal de operação volume útil) que garanta o amortecimento das cheias e evite danos. Estas cheias de projeto apresentam períodos de recorrência curtos, de no máximo 50 anos (30 anos é o mais freqüente). Deve-se, para isso, unir dados de previsões climáticas e outras restrições de natureza energética, aliada a uma probabilidade de ocorrência de inundações a fim montar uma avaliação de impactos energéticos e se decidir o tamanho do volume de espera. Como alternativas aos múltiplos usos dos reservatórios, pode-se colocar os transportes rodo-ferroviários, realizar-se controles descentralizados de cheias, obter água de abastecimento em poços dito artesianos e gerar-se energia utilizando-se de outras fontes. O dimensionamento segue cálculos de otimização que envolvem variáveis de todos os tipos e naturezas que resumem o balanço hídrico regional. Além disso, há o processo de inclusão de novos usos em reservatórios existentes que gera inúmeras dificuldades, entre as quais: - Restrições operacionais; - Inadequação do projeto aos usos; - Novos usos não geram receita adicional; - A inclusão de um uso induz demanda para este mesmo uso. A inclusão de novos usos é viável desde que haja soluções tecnologicamente flexíveis e mistas, cooperação inter-instituicional, sustentável e de gestão inteligente.