PLANEJAMENTO DE USINAS HIDRELÉTRICAS
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- Amadeu Penha Carneiro
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1 PLANEJAMENTO DE USINAS HIDRELÉTRICAS 1
2 PLANEJAMENTO DE USINAS HIDRELÉTRICAS Objetivo da Aula: Fornecer conceitos relativos ao planejamento de sistemas hidreletricos em diversas configurações, composto por grandes e pequenas usinas, usinas estas com e sem reservatorio e operando em conjunto com outras fontes de energia (termoeletricas, eólicas, fotovoltaícas, nucleares) e todo conjunto interligado ao SIN. 2
3 TIPOS DE USINAS QUANTO A POTENCIA INSTALADA Arranjos típicos de principais características: As usinas são classificadas em três tipos: 1. Microcentrais Pot. instalada 1 MW, 2. Pequenas centrais hidreletricas Pot. Instalada: 1 MW < P.inst.< 30 MW 3. Usinas hidreletricas - Pot. Instalada: P.inst.> 30 MW Microcentral PCH Antas II, Poços de Caldas, MG 3
4 TIPOS DE USINAS QUANTO AO RESERVATORIO E ALTURA DE QUEDA Arranjos quanto ao tipo de reservatório: 1. Fio d`água (sem reservatório); 2. De acumulação (diária, semanal, sazonal, plurianual) 3. Reversível Arranjos quanto a altura de queda: 1. Baixa queda ( 250 m). 2. Média queda (entre 50 e 250 m); 3. Alta queda (> 250 m) Usina Hidreletrica Henry Borden (Cubatão SP) alta queda. 4
5 TIPOS DE USINAS 5
6 TIPOS DE USINAS 6
7 PEQUENAS CENTRAIS HIDRELETRICAS (PCH) A geração de energia é limitada pelo produto VAZÃO X ALTURA DE QUEDA, a barragem de uma maneira geral interrompe o curso d água p/ formar o reservatório e regular a vazão. Devido à capacidade de armazenamento (períodos úmidos) e deplecionamento (períodos secos), as barragens atenuam a variabilidade das afluências naturais. Hidrelétrica Foz do Areia 7
8 PEQUENAS CENTRAIS HIDRELETRICAS (PCH) O volume dos reservatorios na grandes usinas depende dos operadores da planta, já nas PCH do tipo fio d água, depende-se da quantidade de chuvas nas cabeceiras dos rios, neste tipo de usina aproveita-se a vazão firme do rio. Hidrelétrica de Belo Monte 8
9 PEQUENAS CENTRAIS HIDRELETRICAS (PCH) PCH A FIO D ÁGUA: Usinas hidrelétricas a fio d água são aquelas que não dispõem de reservatório de água, ou o têm em dimensões menores do que poderiam ter. Optar pela construção de uma usina a fio d água significa optar por não manter um estoque de água que poderia ser acumulado em uma barragem. 9
10 PCH A FIO D ÁGUA 10
11 PCH A FIO D ÁGUA A usina binacional Itaipu, por estar a jusante da Bacia do Rio Paraná, é considerada como a fio d água, ou seja, mantém apenas um volume pequeno de estoque, utiliza a água que chega das usinas a montante (total de 47), para gerar energia elétrica. Hidrelétrica de Itaipu 11
12 PCH A FIO D ÁGUA PCH A FIO D ÁGUA: Utilizada quando demanda maxima que as vazões de estiagem. Não utiliza volume de reservatório criado por barragem. O sistema de adução é projetado p/ conduzir vazão que atenda demanda máxima. O aproveitamento energético disponivel no local será parcialmente aproveitado. Vertedouro irá operar na totalidade do tempo para extravasar o excesso de água. 12
13 PCH A FIO D ÁGUA: PCH A FIO D ÁGUA Caracteristica de especificação se comparadas com usinas com reservatorio: Dispensa estudos de regularização de vazões. Dispensa estudos de sazonalidade da carga elétrica do consumidor. Facilidade relativa aos estudos e a concepção da tomada d água. Possuem barragens baixas, cuja função é apenas de desviar a água para o circuito de adução. Pequenas áreas inundadas nas UH fio dágua resultam em indenizações reduzidas. 13
14 USINA HIDRELÉTRICA REVERSÍVEL (UHR) São aquelas que utilizam turbinas/bombas e normalmente têm reservatório a montante e outro de menores dimensões a jusante da casa de força. O armazenamento hidráulico é considerado quando a entrada de água natural para as represas não é suficiente, assim, a água é elevada a outro reservatório em períodos de baixa demanda, produzindo-se energia pelas turbinas em horários de pico. 14
15 USINA HIDRELÉTRICA REVERSÍVEL (UHR) O armazenamento hidráulico é inserido nas UH para que a água seja preservada, possibilitando sua utilização em períodos de grande demanda. Geralmente, a água é bombeada ao reservatório superior nos períodos de baixo consumo, pois o custo para a elevação é menor, então, nos picos de demanda (consumo alto) energia eletrica é gerada. 15
16 USINA HIDRELÉTRICA REVERSÍVEL (UHR) Nessa modalidade de geração, é importante definir períodos estratégicos de acionamento visando reduzir impactos causados por falta de geração. Esses períodos podem ser influenciados pelas condições de operação da usina, pelas condições hidrológicas e pelo mercado de energia. Sistemas Lajes/Fontes no Rio de Janeiro 16
17 USINA HIDRELÉTRICA REVERSÍVEL (UHR) Ao contrário das usinas termoelétricas, as UHR podem reagir a variações na rede em espaço de tempo mais curto, produzindo energia elétrica necessária ou mesmo consumindo qualquer excedente. Instalações modernas requerem apenas 30 segundos para iniciar o funcionamento de bombas ou parada das turbinas. Em caso de falhas no sistema elétrico, as usinas reversíveis são capazes de restabelecer o fornecimento de energia à rede sem utilizar fontes externas. 17
18 USINA HIDRELÉTRICA REVERSÍVEL (UHR) URH são inerentes a sistemas elétricos hibridos que combinam fontes eólica e solar, pois, podem compensar intermitências, nivelando flutuações características dessas fontes. Em Grandes sistemas eólicos, UHs a fio d água e usinas nucleares, as UHR s pode funcionar como acumuladores (baterias) armazenando energia. 18
19 DE ACUMULAÇÃO (DIÁRIA, SEMANAL, SAZONAL, PLURIANUAL) É o tipo mais comum de usina hidrelétrica. Usa-se uma barragem para armazenar água em um reservatório. A água liberada do reservatório escoa através de uma turbina, cuja rotação ativa um gerador de eletricidade. A água pode ser usada para produzir eletricidade (turbinada), para controlar o nível do reservatório ou ambos. 19
20 TIPOS DE UHE UHE DE ACUMULAÇÃO C/ REGULARIZAÇÃO DIÁRIA DO RESERVATÓRIO: Empregado quando as vazões de estiagem são inferiores à necessária ao suprimento da demanda máxima, ocorrem com risco superior ao adotado no projeto. Nesse caso, o reservatório fornecerá o adicional necessário de vazão regularizada. REGULARIZAÇÃO MENSAL DO RESERVATÓRIO: Quando o projeto de uma UH considera dados de vazões médias mensais no seu dimensionamento energético, analisando as vazões de estiagem médias mensais, pressupõe-se uma regularização mensal das vazões médias diárias, promovida pelo reservatório. 20
21 Vantagens e Desvantagens das UHE Vantagens: Fonte limpa: Não polui o ar por não queimar combustíveis fósseis. Fonte doméstica de energia: Não depende de importação de insumo. Confiável: Depende somente do ciclo do sol. Atende sob demanda: A produção pode ser controlada. Reservatórios: oportunidades de recreação, pesca, navegação. 21
22 Vantagens e Desvantagens das UHE Desvantagens: Impacto ecológico nas populações de peixes. Alteração da qualidade da água e da disponibilidade de água para outros fins, como por exemplo, irrigação. Pode causar baixos índices de O 2 dissolvido na água. Susceptibilidade ao regime de chuvas. Usinas de grande porte causam impactos ambientais e sócio-econômicos sérios: humanos, plantas e animais perdem seu habitat natural. Sítios históricos e turísticos podem ser eliminados do mapa. Sete Quedas do Guaíra destruídas com a construção de Itaipu 22
23 HIDROLOGIA CONCEITOS Planejamento: O aproveitamento hídreletrico de um rio ou bacia hidrica necessita que um conjunto de condições físicas, sociais e ambientais sejam atendidas para sua realização. O planejamento inicial parte do estudo hidrologico do aproveitamento em questão. 23
24 HIDROLOGIA CONCEITOS 1 - Ciclo Hidrológico: Todo abastecimento de água do planeta resulta da precipitação e da evaporação da água dos mares, rios e lagos. O processo de transferência dessa água para o continente e seu retorno para os mares e rios é chamado de ciclo hidrológico. 24
25 HIDROLOGIA CONCEITOS 1- Ciclo Hidrológico: Dois terços das chuvas que chegam ao solo é devolvida à atmosfera por evaporação a partir da superfície da água, evaporação no solo e também na vegetação. O restante volta aos mares a por vias superficiais e subterrâneas. 25
26 HIDROLOGIA CONCEITOS 2 - Hidrologia: a Hidrologia estuda a velocidade com que a água passa pelas diversas fases do ciclo hidrologico em função do tempo e da fauna local. Fornece dados para o projeto de aproveitamento de recursos hídricos. 26
27 3 - Bacia Hidrográfica (bacia imbrífera): HIDROLOGIA CONCEITOS É a área da superfície do solo capaz de coletar água das precipitações meteorológicas e conduzi-la a um curso d'água. Local onde ocorre a drenagem da água das chuvas para um determinado curso de água. Devido ao declive do terreno, a água de diversas fontes (rios, ribeirões, córregos, etc) deságuam num determinado rio, formando a bacia hidrográfica. 27
28 HIDROLOGIA CONCEITOS 4 - Vazão de um curso d'água: Característica importante para o aproveitamento adequado de um curso d'água. É o volume d'água de uma seção reta na unidade de tempo (m 3 /s). Juntamente com a altura da queda determinará a potência que pode ser obtida em um aproveitamento neste ponto. 28
29 HIDROLOGIA CONCEITOS 5 - Medição de vazão: 1. Determinar a área da seção transversal do rio. 2. Medir a largura do rio e a profundidade em um número significativo de pontos ao longo da seção para traçar o perfil e determinar a área. 3. Medir a velocidade através de medidores chamados MOLINETES HIDROMÉTRICOS em vários pontos e em diferentes profundidades. 4. Com os dados plotar a curva do perfil de velocidade média na vertical. 29
30 HIDROLOGIA CONCEITOS 5 - Medição de vazão através de Molinetes: Os molinetes são dotados basicamente de uma hélice e um conta-giros, medindo a velocidade do fluxo d água que passa por ele. Postos de medição existentes em diversos locais das bacias hidrográficas recebem o nome de POSTO FLUVIOMÉTRICO. 30
31 HIDROLOGIA CONCEITOS 6 - Curva de nível de água (curva chave): Depois de obtido o registro das vazões atraves de medições de área do perfil e velocidade media do escoamento traça-se a curva do nível de água em função da vazão. Lembrando que Vazão = Velociadade (m/s) / área (m 2) = m 3 /s 31
32 HIDROLOGIA CONCEITOS 7 - Fluviograma: representa o comportamento da vazão em uma seção reta (local) do rio ao longo do tempo. Utiliza-se para obter o VALOR MAXIMO INSTANTÂNEO DA VAZÃO. O Fluviogram representa o comportamento da vazão ao longo do tempo. 32
33 HIDROLOGIA CONCEITOS 7 - Fluviograma: O Fluviograma pode representar diversos intervalos de tempo (dia, mês, ano) ou períodos arbitrários. 33
34 HIDROLOGIA CONCEITOS 8 - Curvas de Duração ou Persistência de Vazões: Indica o percentual de tempo durante a qual a vazão é superior, igual ou inferior a certos valores ocorridos durante o período. Nota-se que o rio R2 fornece 3 m 3 /s para aproveitamento direto. O rio R1 não mantém uma vazão significativa por longo tempo. Este, só poderá manter uma vazão mínima por maior tempo se dispuser de reservatório. 34
35 HIDROLOGIA CONCEITOS 9 - Energia Assegurada É a energia que pode ser suprida por uma UH c/ um risco de 5% de não ser atendida, isto é, disponibiliza uma garantia de 95% de atendimento; Numa usina com reservatório pequeno, a energia assegurada é definida pela Q 95 ; A empresa de energia será remunerada pela Energia Assegurada. 35
36 HIDROLOGIA CONCEITOS 9 Energia Assegurada Curva de Permancia de vazões: Nesta curva pode-se verificar qual a vazão ocorrida em um periodo de tempo percentual
37 HIDROLOGIA CONCEITOS 9 - Curvas de Permanência de vazões: Exemplo: Uma usina hidrelétrica será construída em um rio com a curva de permanência apresentada abaixo. O projeto da barragem prevê uma queda líquida de 27 metros. A eficiência da conversão de energia será de 83%. Qual é a energia assegurada desta usina? 37
38 HIDROLOGIA CONCEITOS 9 - Curvas de Permanência de vazões: Exemplo Q 95 = 50 m 3 /s H = 27 m e = 0,83 = 1000 kg/m 3. 9,81 N/kg P Q H e P = , ,83 P = 11 MW 50 m 3 /s 38
39 HIDROLOGIA CONCEITOS 9 - Regularização de Vazões: Capacidade de um reservatório Devido à sazonalidade das vazões, apenas uma pequena vazão poderá ser utilizada na maior parte do tempo. Se os aproveitamentos fossem realizados unicamente nesta vazão, tornar-se-iam antieconômicos. 39
40 9 - Regularização de Vazões: HIDROLOGIA CONCEITOS Para aproveitamentos de vazões inconstantes, torna-se necessário o armazenamento para permitir o uso de vazão superior àquela garantida pelo comportamento natural do rio. O armazenamento e obtenção de vazões regularizadas recebe o nome de REGULARIZAÇÃO DE UM RIO. 40
41 HIDROLOGIA CONCEITOS 9 - Regularização de Vazões: Capacidade de um reservatório 41
42 HIDROLOGIA CONCEITOS 9 - Regularização de Vazões: Capacidade de um reservatório 42
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49 HIDROLOGIA CONCEITOS 9 - Regularização de Vazões: Capacidade de um reservatório 49
50 HIDROLOGIA CONCEITOS 9 - Regularização de Vazões: Capacidade de um reservatório 50
51 HIDROLOGIA CONCEITOS 9 - Regularização de Vazões: Efeitos sobre a motorização Diária: A água é armazenada no período fora de ponta para utilização no horário de ponta. Normalmente estes reservatórios encontram-se em usinas a fio dágua. Semanal: A água é armazenada no final de semana e utilizada nos dias útieis. Anual: A água é armazenada no período úmido (de dezembro a maio) e é utilizada no período seco (junho a novembro). 51
52 HIDROLOGIA CONCEITOS 9 - Regularização de Vazões: Capacidade de um reservatório 52
53 HIDROLOGIA CONCEITOS Aproveitamentos Hidrelétricos são de dois topos: 1. Aproveitamentos a fio d'água: Sem regularização, vazão primaria disponível entre 90 e 100% do tempo. A energia associada a essa vazão recebe o nome de energia primaria. 2. Aproveitamento com regularização. A energia associada a essa vazão recebe o nome de energia firme (pode ser garantida quase todo o tempo). Para usinas a fio d'água a energia firme coincide com energia primaria. USINA A FIO DAGUA USINA COM RESERVATORIO 53
54 HIDROLOGIA CONCEITOS Capacidade dos Reservatórios: É calculada com base na altura máxima de operação do reservatório. A partir dos dados do reservatório pode-se traçar a curva AREA x ALTITUDE e a curva CAPACIDADE x ALTITUDE. 54
55 HIDROLOGIA CONCEITOS Capacidade dos Reservatórios: As curvas AREA x ALTITUDE e a curva CAPACIDADE x ALTITUDE permitem a obtenção da área inundada em função do nível máximo. Possibilitam visualizar parte dos impactos ambientais provocados pela obra (população deslocada, inundação de belezas naturais, sítios arqueológicos e áreas históricas. CURVA: AREA x ALTITUDE VOLUME x ALTITUDE 55
56 HIDROLOGIA CONCEITOS Capacidade dos Reservatórios: Níveis de Operação Nível normal: Cota máxima até onde as águas subirão em condições normais. Nível mínimo: Nível mínimo até onde as águas baixam em condições normais. O volume armazenado entre o nível máximo e mínimo é chamado de volume útil do reservatório (acumulação para uso e atenuação de cheia). 56
57 HIDROLOGIA CONCEITOS Capacidade dos Reservatórios: Os níveis de Operação são função do melhor rendimento das turbinas. 57
58 HIDROLOGIA CONCEITOS Caudabilidade: Indica a quantidade de água que pode ser fornecida pelo reservatório em determinado período de tempo (km 3 /ano ou m 3 /dia). Esse período pode variar de um dia (pequenos reservatórios) até um ano (grandes reservatórios). Depende das vazões afluentes. Vazão Firme: Zão máxima que pode ser garantida emum período de estiagem ou então a vão que pode ser garantida durante todo periodo em que a operação do aproveitamento não se altera. 58
59 HIDROLOGIA CONCEITOS Determinação da capacidade de um reservatório: Deve-se simular a operação do reservatório durante um determinado período através dos dados fluviometricos. O estudo pode se restringir apenas a avaliação da capacidade suficiente para suportar uma seca ou, avalia o volume de água (energia) aproveitável em cada um dos anos. 59
60 HIDROLOGIA CONCEITOS Vazão Regularizada: O diagrama de Rippl (ou de massas) é um grafico onde se marcam os volumes acumulados ao longo do tempo no reservatório. Esse diagrama é uma integração no tempo do Fluviograma (curva de duração) e possibilita analise visando o calculo da vazão regularizada. Diagrama de Rippl 60
61 HIDROLOGIA CONCEITOS Vazão Regularizada: O diagrama possibilita visualizar: 1. Vazão regularizada máxima: É fornecida pelo volume DX e o periodo de tempo OD μ 61
62 HIDROLOGIA CONCEITOS Vazão Regularizada: A tangente do diagrama em qualquer ponto é a vazão natural do rio naquele ponto. Se for construída uma usina neste ponto e que utilize sempre a vazão regularizada, ocorrerá que: 1- Toda vez que a vazão natural for maior que a regularizada o reservatório estará enchendo. 2 - Se a vazão for menor do que a regularizada o reservatório estará esvaziando. 3 - A vazão de enchimento ou esvaziamento é dada pela diferença entre as vazões natural e regularizada. 62
63 HIDROLOGIA CONCEITOS Vazão Regularizada: 3 O reservatório estará enchendo nos períodos OA e BC, e esvaziando nos períodos AB e CD. 63
64 Vazão Regularizada: HIDROLOGIA CONCEITOS Diagrama dos volumes disponíveis no reservatório ao longo do tempo. O gráfico apresenta o reservatório iniciando e terminando com o mesmo volume de água. Isto acontece porque no período de tempo analisado, todo o volume que entra é igual ao volume que sai Vazão regularizada total. 64
65 Vazão Regularizada: HIDROLOGIA CONCEITOS A diferença entre os volumes máximo e mínimo do gráfico é a capacidade de armazenamento que o reservatório deve ter para operar corretamente. Essa diferença é o volume mais econômico que permite a execução da regularização total do reservatório. 65
66 Regularização Parcial: HIDROLOGIA CONCEITOS Caso o volume reservatório fosse menor que o volume regularizado não se teria a mesma vazão o tempo todo, entretanto, neste caso os custos seriam menores (barragem, menores impactos ambientais). 66
67 Regularização Parcial: HIDROLOGIA CONCEITOS Considerando que existe a possibilidade de interligação de varias usinas ao SIN e tambem a possibilidade de complementação (termica, eolica e solar) surge o conceito de que se deve determinar a melhor solução global interligando hidreletricas com reservatorio a termeletricas, centrais solares, eolicas etc. Superase assim a desvantagem de não termos uma só vazão regularizada. 67
68 HIDROLOGIA CONCEITOS Aproveitamentos Hidrelétricos: Diversos aproveitamentos podem ser efetuados no mesmo rio. Aproveitamentos de rios diferentes podem ser feitos através da rede elétrica. 68
69 EXEMPLO DE OPERAÇÃO HIDRAÚLICA DE UM SISTEMA DE USINAS DA BACIA HIDROGRAFICA DO RIO DOCE NOS ESTADOS DO ES e MG Neste exemplo várias premissas como condições de operação, rendimento do sistema, período de chuvas, condições ambientais como enchentes e impactos na fauna dentre outros devem ser levadas em consideração para a melhor operação e com os menores riscos em um sistema de aproveitamento de varias usinas na mesma bacia hidrografica. Fonte Site ONS : 69
70 EXEMPLO DE OPERAÇÃO HIDRAÚLICA DE UM SISTEMA DE USINAS DA BACIA HIDROGRAFICA DO RIO DOCE NOS ESTADOS DO ES e MG 70
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72 EXEMPLO DE OPERAÇÃO HIDRAÚLICA DE UM SISTEMA DE USINAS DA BACIA HIDROGRAFICA DO RIO DOCE NOS ESTADOS DO ES e MG 72
73 EXEMPLO DE OPERAÇÃO HIDRAÚLICA DE UM SISTEMA DE USINAS DA BACIA HIDROGRAFICA DO RIO DOCE NOS ESTADOS DO ES e MG 73
74 EXEMPLO DE OPERAÇÃO HIDRAÚLICA DE UM SISTEMA DE USINAS DA BACIA HIDROGRAFICA DO RIO DOCE NOS ESTADOS DO ES e MG 74
75 EXEMPLO DE OPERAÇÃO HIDRAÚLICA DE UM SISTEMA DE USINAS DA BACIA HIDROGRAFICA DO RIO DOCE NOS ESTADOS DO ES e MG 75
76 EXEMPLO DE OPERAÇÃO HIDRAÚLICA DE UM SISTEMA DE USINAS DA BACIA HIDROGRAFICA DO RIO DOCE NOS ESTADOS DO ES e MG 76
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78 EXEMPLO DE OPERAÇÃO HIDRAÚLICA DE UM SISTEMA DE USINAS DA BACIA HIDROGRAFICA DO RIO DOCE NOS ESTADOS DO ES e MG 78
79 EXEMPLO DE OPERAÇÃO HIDRAÚLICA DE UM SISTEMA DE USINAS DA BACIA HIDROGRAFICA DO RIO DOCE NOS ESTADOS DO ES e MG 79
80 EXEMPLO DE OPERAÇÃO HIDRAÚLICA DE UM SISTEMA DE USINAS DA BACIA HIDROGRAFICA DO RIO DOCE NOS ESTADOS DO ES e MG 80
81 EXEMPLO DE OPERAÇÃO HIDRAÚLICA DE UM SISTEMA DE USINAS DA BACIA HIDROGRAFICA DO RIO DOCE NOS ESTADOS DO ES e MG 81
82 EXEMPLO DE OPERAÇÃO HIDRAÚLICA DE UM SISTEMA DE USINAS DA BACIA HIDROGRAFICA DO RIO DOCE NOS ESTADOS DO ES e MG 82
83 EXEMPLO DE OPERAÇÃO HIDRAÚLICA DE UM SISTEMA DE USINAS DA BACIA HIDROGRAFICA DO RIO DOCE NOS ESTADOS DO ES e MG 83
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