Energias Renovaveis. Universidade Eduardo Mondlane Faculdade de Engenharia. Departamento de Engenharia Mecanica

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1 Universidade Eduardo Mondlane Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Mecanica Energias Renovaveis 4 o Ano Prof. Doutor Engenheiro Jorge Nhambiu 1

2 Aula 12 Energia Hidrica Prof. Doutor Engº Jorge Nhambiu Engº Paxis Roque 2

3 Introdução Entre os finais do século XIX e os princípios do século XX, instalaram-se muitas centrais hidroeléctricas com potências compreendidas entre algumas dezenas e poucos milhares de quilowatts é precisamente nesse domínio de potências que hoje levaria a classificá-las como pequenas centrais hidroeléctricas, ou, na linguagem corrente, centrais mini-hídricas (CMH), o que levou a que progressos verificados na transmissão da energia eléctrica permitiram que os países alta e medianamente industrializados passassem a estar cobertos por redes eléctricas densamente malhadas. 3

4 Introdução Esta circunstância, aliada ao facto de as reservas de combustíveis fósseis de fácil extracção serem consideradas como praticamente inesgotáveis, e serem em número apreciável os locais com condições favoráveis à instalação de grandes aproveitamentos hidroeléctricos, levou a que a produção de energia eléctrica se concentrasse em poucas centrais de elevada potência instalada, beneficiando da inerente economia de escala. 4

5 Introdução Como consequência da evolução registada, tanto o investimento, como as despesas de operação e manutenção por unidade de energia produzida nas centrais hidroeléctricos de baixa potência, sofreram agravamentos incomportáveis, o que levou à sua progressiva degradação e mesmo ao encerramento de muitas unidades. A partir dos choques petrolíferos de 1973 e, principalmente, de 1981, o quadro de referência mudou substancialmente: aumentou o valor da energia, os melhores locais para instalação de centrais hidroeléctricas de grande porte já estavam tomados, os progressos verificados na automação permitiram reduzir drasticamente as despesas de exploração. 5

6 Introdução É nesta perspectiva que se insere o renovado interesse pelas CMH, verificado a partir da década de oitenta. Os projectistas cedo se aperceberam que uma CMH não devia ser concebida como uma cópia em escala reduzida de uma instalação de elevada potência, concluindo que o seu projecto requeria um grau apreciável de inovação, a fim de reduzir os custos, garantindo, contudo, uma fiabilidade adequada e simplicidade operativa. No domínio da engenharia civil os esforços foram dirigidos para a concepção de sistemas compactos e simples, tanto quanto possível pré-fabricados, de modo a reduzir os trabalhos no local. 6

7 CLASSIFICAÇÕES A engenharia mecânica orientou-se para o projecto de turbinas normalizadas, com rendimentos aceitáveis em diversas condições de funcionamento, tendo em atenção que era no domínio das quedas baixas que as oportunidades se afiguravam mais promissoras. A designação central mini-hídrica generalizou-se para designar os aproveitamentos hidroeléctricos de potência inferior a 10 MW. Este limite é geralmente usado como fronteira de separação entre as pequenas e as grandes centrais hidroeléctricas. 7

8 CLASSIFICAÇÕES As primeiras, devido ao seu impacto ambiental diminuto, são consideradas centrais renováveis; as segundas, embora usem um recurso renovável, produzem efeitos não desprezáveis sobre o ambiente, pelo que a sua classificação como centrais renováveis é problemática. Para as centrais mini-hídricas, recomenda-se a classificação em função da potência instalada. Tabela 12.1: Classificação das centrais mini-hídricas quanto à potência. Designação P inst (MW) Pequena central hidroeléctrica < 10 Mini central hidroeléctrica < 2 Micro central hidroeléctrica < 0,5 8

9 CLASSIFICAÇÕES No que diz respeito à altura de queda, a classificação habitual é a que se indica na Tabela Tabela 12.2: Classificação das centrais mini-hídricas quanto à altura de queda Designação h u (m) Queda baixa 2 20 Queda média Queda alta > 150 9

10 CLASSIFICAÇÕES Outra classificação diz respeito à existência ou não de capacidade de armazenamento. As centrais a fio de água não têm capacidade de regularizar o caudal, pelo que o caudal utilizável é o caudal instantâneo do rio. Ao contrário, as centrais com regularização possuem uma albufeira que lhes permite adaptar o caudal afluente. As CMH são, regra geral, centrais a fio de água. 10

11 CLASSIFICAÇÕES Na Figura 12.1 apresentam-se os principais elementos que constituem uma central mini-hídrica, com a seguinte legenda: Albufeira ( intake ) e respectivo açude Canal de adução ( feeder canal ) Câmara de carga ( fore bay ) Conduta forçada ( penstock ) Edifício da central ( power house ) Restituição ( tail race ) Caudal ecológico ( reserve flow ) Escada de peixe ( fish ladder ) 11

12 CLASSIFICAÇÕES Figura 12.1 Principais elementos de uma central mini-hídrica. 12

13 SITUAÇÃO EM MOÇAMBIQUE Em relação à situação em Moçambique, as últimas estatísticas nacionais conhecidas [FUNAE] apontam para os valores apresentados na Tabela 12.3 os seguintes valores em termos da potência 13

14 Tabela 12.3 Projectos de construção de aproveitamentos Hidroeléctricos # Projecto Localização Nome do Rio Potência [kw] Estágio do Projecto 1 Rotanda 2 Chiuraírue 3 Muôha 4 Sembezeia Localidade de Rotanda, Distrito de Sussundega, Província de Manica Localidade de Chiuraírue, Distrito de Mossurize, Provincia de Manica Localidade de Muôha, Distrito de Sussundega, Província de Manica Localidade de Sembezeia, Distrito de Sussundega, Provincia de Manica Mutsenende 630 Em construção Chinhica 23.1 En construção Muôha 100 Em construção Bonde 62 Em operação 5 Majaua Zambézia Ruo 530 Em Reabilitação 6 Meponda Localidade de Meponda, Distrito de Lichinga, Provincia de Niassa Luângua 200 Estudo de Viabilidade 7 Mavonde Localidade de Mavonde, Distrito de Manica, Provincia de Manica Nhamucuarara 900 Projecto Executivo 8 Berua Distrito de Milange, Provincia da Zambezia Ruo -- 9 Luaíce Distrito de Chimbunila, Província de Niassa Luaíce Zize Distrito de Lagos, Província de Manica Tumba -- Estudo de Viabilidade Estudo de Viabilidade Estudo de Viabilidade 11 Nintulo Localidade de Nintulo, Distrito de Gúrue, Província de Zambézia Lotiua 108 Projecto de Execução 14

15 CUSTOS ESTIMADOS A estimação de custos associados à instalação de CMH é uma tarefa complexa, dependendo, entre outros factores, da potência instalada, da altura da queda e da ligação à rede receptora. Os dados conhecidos permitem situar o investimento total numa gama de variação entre 1150/kW e 3450 $/kw, sendo o limite inferior correspondente a médias e altas quedas e potências superiores a 1000 kw e o limite superior correspondente a baixas quedas e potências inferiores a 250 kw. O custo médio anual actualizado ($/kwh) é dado por: C i C C d p (12.1) h a 15

16 CUSTOS ESTIMADOS Onde: i inverso do factor presente da anuidade, dado por: i n i a a n i a 1 (12.2) Sendo a a taxa de actualização e n o número de anos de vida útil da instalação c p custo de investimento por kw instalado ($/kw) h a utilização anual da potência instalada (h) c d custos diversos, onde se incluem, como parcela dominante, os encargos de Operação e Manutenção em percentagem do investimento total 16

17 turbinas As turbinas hidráulicas transformam em energia mecânica a energia cinética possuída pela água à sua entrada na turbina e tornam-na disponível num eixo, ao qual é ligado o rotor do gerador eléctrico normalmente um alternador. As turbinas são constituídas essencialmente por duas partes : o distribuidor e o rotor. O primeiro conduz a água ao rotor, segundo a direcção adequada a um melhor rendimento, e este efectua a transformação em energia mecânica. As turbinas hidráulicas são classificadas em : - turbinas de acção ( PELTON ); - turbinas de reacção ( FRANCIS e KAPLAN ). 17

18 turbinas As turbinas de acção não funcionam imersas na água turbinada, mas sim ao ar livre; a água encontra a roda móvel ( rotor ) através de jactos, sendo a pressão de entrada e de saída iguais. As turbinas de reacção trabalham no seio da água turbinada e podem ser do tipo Francis ou Kaplan. A água penetra na roda móvel por toda a periferia, fazendo a descarga paralelamente ao eixo de rotação. Nas turbinas de reacção a pressão à saída é inferior à entrada. Estas turbinas são normalmente utilizadas para médias e baixas quedas. Os elementos comuns às turbinas a reacção são a câmara de entrada, o distribuidor, a roda móvel ( rotor ) e o difusor. 18

19 turbinas Pelton Nas turbinas deste tipo, de que se representa um esquema na figura a seguir, a distribuição é feita por um a quatro tubos injectores eenominados tubeiras. As pás do rotor das turbinas Pelton têm a forma de uma concha dupla, como se pode visualizar. A velocidade de saída da água da turbina é muito pequena, o que permite um rendimento muito elevado (até 93%). Estas turbinas são normalmente utilizadas para altas quedas ( 250 a 2500 metros) e para pequenos caudais ( entre 0.2 e 10 m 3 /s), sendo o número de rotações baixo. A instalação da turbina é feita normalmente com o eixo horizontal. 19

20 turbinas Pelton Figura Turbina Pelton 20

21 turbinas Francis A câmara de entrada é o recinto que orienta a água na direcção da turbina. Pelo seu lado o distribuidor permite efectuar a regulação da potência da turbina por regulação da inclinação das pás. As turbinas Francis podem ser de eixo vertical ou horizontal e são normalmente utilizadas para quedas entre 10 e 250 metros e para caudais entre 10 e 50 m 3 /s. Apresentam, face às Pelton, um rendimento máximo mais elevado, velocidades maiores, menores dimensões e a possibilidade de serem utilizáveis em saltos (desníveis de queda ) variáveis. 21

22 turbinas Francis Figura Turbina Francis 22

23 turbinas Kaplan As turbinas Kaplan ou turbinas a hélice são utilizadas normalmente para baixas quedas de água, inferiores a 50 metros, e para caudais até 350 m3/s. Nestas turbinas, a roda móvel possui poucas pás, relativamente estreitas e com a forma de hélices de barcos, e têm inclinação regulável, o que permite bom rendimento. Estas são, por vezes, montadas com o eixo horizontal e denominandose, nesses casos grupos bolbo. O alternador é directamente acoplado á turbina, sendo o conjunto submerso. Estas turbinas são utilizadas para quedas muito baixas ( de alguns metros). 23

24 turbinas Kaplan Figura Turbina Kaplan 24

25 características gerais das turbinas A Figura 12.6 dá as condições de utilização dos principais tipos de turbina, em função da queda e do caudal. Da análise da Figura 12.6 é claro que as turbinas do tipo Pelton são indicadas para quedas elevadas e caudais reduzidos. As turbinas Turgo podem ser utilizadas para quedas médias ou elevadas, mas menores do que as Pelton, podendo ser utilizadas para caudais superiores aos da Pelton, mas ainda de pequeno valor. Por outro lado as turbinas Kaplan podem ser utilizadas numa gama de caudais muito variável, desde caudais reduzidos até caudais muito significativos, mas sem que se atinjam quedas elevadas. 25

26 características gerais das turbinas As turbinas Francis encontram-se numa posição intermédia, às Pelton e às Kaplan. De notar que as turbinas Banki-Mitchell, ou de fluxo cruzado, Crossflow, apesar de serem turbinas de acção, não são utilizadas para CMH com quedas acima de 200 metros, mas são utilizadas para quedas médias e baixas, e caudais reduzidos, abaixo dos 9 m3/s. 26

27 Figura 12.5 Característica queda versus caudal para os diferentes tipos de turbina 27

28 características gerais das turbinas Na Figura 12.7 estão representadas as eficiências típicas para os principais tipos de turbinas. É observável que a maior eficiência das turbinas Francis é verificada na gama entre os 70% e 90% de caudal, mas, fora dessa gama a eficiência diminui rapidamente. As turbinas Pelton apresentam eficiências elevadas desde os 30% até 100% de caudal. As Kaplan apresentam uma eficiência intermédia às Francis e Pelton, apresentando eficiências elevadas entre os 50% e 90% de caudal. 28

29 características gerais das turbinas Figura 12.6 Característica queda versus caudal para os diferentes tipos de turbina 29

30 12.6 Alternadores Os alternadores poderão ser síncronos ou assíncronos de acordo com a potência pretendida. Os mesmos poderão funcionar como motores, nomeadamente para bombear a água. Os alternadores síncronos, como máquinas de dupla excitação poderão ainda ter a função de fazer a compensação do factor de potência. O factor potência da energia fornecida por geradores assíncronos durante as horas de cheias e de ponta não será inferior a 0.85 indutivo, devendo ser instaladas as baterias de condensadores que forem necessárias. Os geradores síncronos deverão manter um factor de potência entre 0.8 indutivo e 0.8 capacitivo perante variações na tensão da rede pública. Durante as horas de vazio não é permitido o fornecimento de energia reactiva à rede. 30

31 12.7 Potência Instalada A potência instalada, que determina a classificação da central hídrica, resulta do dimensionamento. A potência instalada depende de dois factores físicos, a altura de queda e o caudal e, assim o valor teórico para esta potência expressa-se pela equação: Onde: P ghq (12.3) P - E a potência teórica (W), que e superior a potência instalada, pois não considera a eficiência nem as perdas de carga; ρ - E a massa específica da água, aproximadamente, 103 (kg/m 3 ); g - E a aceleração da gravidade, com valor 9,81 (m/s 2 ); H- E a queda útil (m); Q- E o caudal (m 3 /s); 31

32 12.7 Potência Instalada No entanto, os equipamentos utilizados não são perfeitos e devido às perdas de cada equipamento e do processo de conversão de energia, a potencia instalada não é expressa pela equação (12.3), mas antes pela equação (12.4), Onde: P - E a potência teórica (W), que e superior a potência instalada, pois não considera a eficiência nem as perdas de carga; γ - É o peso volúmico da água (N/m 3 ), e resulta de ; η - É a eficiência global do sistema (%); H- E a queda útil (m); Q- E o caudal (m 3 /s); P HQ (12.4) 32

33 12.7 Potência Instalada A potência instalada e obtida a partir da equação (12.4), como já havia sido anteriormente referido, e e utilizada a curva de caudais classificados para auxiliar na determinação do valor do caudal instalado. O caudal instalado apresenta um valor que devera ser excedido entre 55 a 146 dias, dependo da curva de caudais classificados e da experiencia do projectista. Como nesta fase a CMH ainda não esta dimensionada, não se conhecem os valores exactos para a eficiência global da CMH. Para considerar as perdas de carga dos equipamentos, utiliza-se a equação (12.5) para estimar a potência instalada numa CMH 33

34 12.7 Potência Instalada onde: P 7H Q (12.5) inst b inst P inst É a potência instalada (kw); H b - É a queda bruta do aproveitamento (m); Q inst - É o caudal instalado (m 3 /s). Com o valor estimado para a potência a instalar selecciona-se a opção turbina/gerador com o valor mais próximo do estimado, de uma gama de potências dos equipamentos que existem no mercado e que é discreta. De novo utilizando a equação (2.3), determina-se o caudal instalado correspondente à potência nominal da turbina seleccionada. 34

35 12.8 Energia Produzida O dimensionamento de uma CMH é um processo iterativo que compreende a análise de despesas e proveitos para várias soluções de potência instalada. Após a determinação da potência a instalar, a turbina é também dimensionada. As características intrínsecas ao dimensionamento, vão além da eficiência, contemplando também limites de exploração, no que se refere ao caudal. Sempre que se verificar um caudal fora destes limites a turbina é desligada por insuficiência de rendimento. 35

36 12.8 Energia Produzida Tabela 12.2 Limites de exploração das turbinas Turbina Pelton 0,15 1,15 Francis 0,35 1,15 Kaplan com dupla regulação Kaplan com rotor regulado 0,25 1,25 0,4 1,0 Hélice 0,75 1,0 Onde: Q min - E o caudal mínimo turbiná vel (m 3 /s); Q max - E o caudal máximo turbinável (m 3 /s); α 1 - E o factor para obtenção do caudal mínimo turbinável; α 2 - E o factor para obtenção do caudal máximo turbinável; 36

37 12.8 Energia Produzida A partir dos limites de exploração da turbina é possível determinar os valores máximo e mínimo de caudal que são utilizados pela turbina para produção de energia. Através destes dois limites conseguese saber a quantidade de energia produzida. O primeiro passo é traçar sobre a curva de caudais classificados estes limites, bem como o caudal de cheia, caudal a partir do qual a queda é muito baixa e não permite a produção de energia. 37

38 12.8 Energia Produzida Figura 12.7 Curva de caudais classificados: marcação dos limites de exploração 38

39 12.8 Energia Produzida A partir do caudal de cheia, Qc, é definido o tempo t 0, valor até onde nunca se turbina a água. O tempo t 1 corresponde ao limite máximo da turbina, impondo por isso que desde t 0 a t 1 a turbina funcione no seu limite máximo, apesar de haver mais água disponível. O limite mínimo define t 2 que é o último instante em que se turbina água. De t 1 a t 2 a água turbinada depende da água disponível. 39

40 12.8 Energia Produzida Considerando a queda e a eficiência constante, a energia produzida é proporcional ao polígono da área de exploração da Figura 12.7, podendo ser estimada pela equação (12.4): Onde: t max t1 E 7H t t Q Q t dt 24 (12.6) E - É a energia produzida num ano (kwh); Q max - É o caudal correspondente ao limite máximo da turbina (m 3 /s); 40

41 12.8 Energia Produzida Determinando a energia produzida em cada ano, para vários valores de potência instalada, o balanço de despesas e proveitos ditará as soluções mais vantajosas, que serão estudadas mais detalhadamente, para um correcto dimensionamento da CMH. 41

42 12.9 Dimensionamento Detalhado Realizado o dimensionamento considerando várias simplificações, e seleccionadas as soluções com melhores resultados, é necessário utilizar modelos mais detalhados, nomeadamente no que diz respeito aos valores de eficiência dos equipamentos utilizados e às perdas de carga no circuito hidráulico. Assim a potência instalada resulta da equação (12.7) 42

43 12.9 Dimensionamento Detalhado P ghuq inst t g tf el (12.7) Onde: H u - É a altura de queda útil (m); Q inst - É o caudal instalado (m 3 /s), e assume os valores seleccionados aquando do dimensionamento simplificado; η t - É a eficiência da turbina (%); η g - É a eficiência do gerador (%); η tf - É a eficiência do transformador (%); η el É a eficiência eléctrica (%); 43

44 12.9 Dimensionamento Detalhado A energia produzida é determinada de um modo equivalente ao anterior, sendo que agora se utiliza a equação (12.8): t max t1 E gh t t Q Q t dt 24 (12.8) u t g tf el Mediante os resultados obtidos para as várias opções consideradas, se dá por terminado o dimensionamento, com a obtenção da solução com os melhores resultados. 44