Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica. Aula energias renováveis

Transcrição

1 Aula energias renováveis Hidrelétrica - Desenvolvimento e uso - As usinas hidrelétricas - Turbinas - Sistemas de grande porte

2 Driving the hydropower Hidrelétrica Vento Maré Queda na temperatura da água Diferença na radiação Solar Diferenças na salinidade Condensação Precipitação sobre o mar transporte de água na atmosfera Condensação Precipitação sobre o solo Evaporação do mar Evaporação do solo Vazão de agua pluvial no mar por rios Vazão de agua pluvial no mar por lençol freático

3 Desenvolvimento da Usina Hidrelétrica Sub axial Aprox. 200 a.c. Função: operação de direta de moinhos Principalmente energia cinética (velocidade da água) Roda d'água submersa Império Romano Função: operação de direta de moinhos Roda d'água suspensa Intensificação de uso a partir da idade média Função: variável, de moinhos de farinha a teares. Principalmente energia potencial (carregamento vertical da água)

4 Roda d'água submersa Getreidemühle Gut Holm, Buchholz-Holm

5 Roda d'água suspensa

6 Potencial Hidráulico Brasileiro

7 Localização das Usinas Hidrelétricas Brasileiras

8 Aula energias renováveis Hidrelétrica - Desenvolvimento e uso - As usinas hidrelétricas - Turbinas - Sistemas de grande porte

9 Usina de água corrente - Baixa queda d'água - Represamento/barragem de pequeno porte - Necessidade de grande quantidade d'água - A corrente do rio (montante - jusante) é responsável em movimentar o fluxo d'água que passa pela turbina - A turbina movimenta o rotor do gerador Energia Elétrica Vantagens: Baixo custo de manutenção e possiblidade de operação contínua

10 Usina de água corrente Princípio de funcionamento Nível mais alto da água ha Vazão Q [m³/s] H = ha - hb hb Turbina Kaplan Vertical Nível mais baixo da água Potencial aproveitável (máx.): P W = ρ W g Q H Potencial elétrico: P el = (1-f z ) η Gerador η Turbina ρ W g Q H f z 3% até 10% Eficiência: η Nenn = P el, Nenn / (ρ W g Q H)

11 Esquema - Usina de água corrente Usina de água corrente

12 Usina de água corrente e

13 Usina de água corrente

14 Usina de água corrente

15 Usina de água corrente Turbinas

16 Usina hidrelétrica reversível armazenamento natural e bombeamento - Lago artificial ou natural - Grande diferença de altura - A água é direcionado para as turbinas através de tubos - Armazenamento de energia para uso durante os picos de demanda - Uso de bombas - Aumento de armazenamento com barragens

17 Usina hidrelétrica reversível armazenamento natural Armazenamento: de acordo com o regime dos rios/lagos, precipitação e derretimento de neve em países de clima frio. Represamento da água: troca de energia potencial para cinética. Características típicas (há possibilidade de variação): Barragens de grande altura Equipamentos de média e alta pressão (quedas de até 2000m) Turbina tipo Francis, a partir de 350 m de queda turbina tipo Pelton. Potência média e alta Usina indicada para cobrir horários de picos de energia, mas com grandes reservatórios pode ocorrer o fornecimento regular. Aplicação variada: controle de segurança para transito de navios, proteção contra enchentes. Fornecimento de água potável, sistemas de irrigação agrícola, lagos para lazer.

18 Usina hidrelétrica reversível armazenamento natural Exemplo: Usina de Walchensee Bavária / Alemanha Queda de 200 m entre os lagos Walchen e Kochel Capacidade Instalada de 124 MW 4 x turbinas tipo Francis (trifásico) e 4x turbinas tipo Pelton (monofásico para locomotivas elétricas). Geração anual de 320 milhões de kwh (coeficiente de uso: 30%)

19 Usina hidrelétrica reversível armazenamento por bombeamento Características: Armazenamento de eletricidade com eficiência de 75% Potência total em segundos Equipamentos de alta pressão, quedas maiores que 100 m Turbina Francis, opera inversamente para auxiliar bombeamento Media e alta potência Cobre picos de demanda de energia ou usina de reserva Exemplo: Usina hidrelétrica reversível de bombeamento Herdecke Queda de 165 m entre o reservatório de armazenamento e o lago Hengstey Capacidade inssalada de 150 MW 1x turbina Francis (Instalação antiga, turbina e bomba operam separadas)

20 Usina hidrelétrica reversível armazenamento por bombeamento Reservatório Princípio de Funcionamento Dependendo da altura é utilizada a turbina Francis ou Pelton Turbina. Quantidade de energia armazenada: Reservatório superior Gerador Reservatório inferior E = V ρ W g h Potencial η Tubos, Turbinas, Geradores Potencial aproveitável: P = V ρ W g h Potencial η Tubos, Turbinas, Geradores

21 Usina hidrelétrica reversível armazenamento por bombeamento Usina de Goldisthal /Alemanha (1060 MW)

22 Usina hidrelétrica reversível armazenamento por bombeamento Eficiência do processo Perdas (%) Perdas (%) Tubulação 1,0 Turbina 7,5 Gerador 1,8 0,5 Tubulação 10,0 Bomba 3,0 Motor 0,5 Transformador Transformador 0,5 77% Energia Recuperada 100% Energia Fornecida Fonte: LTT (Raabe 1989)

23 Parte 2

24 Usinas Oceânicas Usinas Maremotriz Uso da amplitude das marés em formações costeiras especiais (20 m com represamento e 1 m em mar aberto) Potencial teórico mundial de até 300 TWh/a Usinas oceânicas térmicas Uso do gradiente de temperatura entre a superfície da água e as águas mais profundidades (20 K entre a superfície quente e a superfície mais fria a 100 m de profundidade) Projetos piloto no Japão (100 kw) e EUA (1.000 kw) com eficiência de 1-3% Usinas oceânicas elétricas Uso de energia cinética da corrente do mar Protótipo na costa de Cornwalls com 350 kw Potência instalada na Europa de 12 GW

25 Usina Ondomotriz Turbina Eólica Gerador Choque das ondas contra a estrutura de concreto Câmera se enche de água O ar é comprimido para cima Com o recua da onda a diferença de pressão é novamente utilizada

26 Usina Ondomotriz - Uso da energia potencial e cinética das ondas. - Grande variedade de projetos, mais de 300 patentes no mundo. AR AR ÁGUA ÁGUA Projeto de Islay

27 Usina Ondomotriz - Uso da energia potencial e cinética das ondas. - Grande variedade de projetos, mais de 300 patentes no mundo. Instalações pequenas: economicamente viável para consumidores distantes dos grandes centros (plataformas, ilhas e etc.). Instalações médias e grandes (poucos protótipos): - Ilha Islay/Escócia: média de 35 kw, em tempestades 75 kw. - Bergen/Noruega kw (problemas técnicos frequentes). Problemas frequentes: - Ausência de técnicas construtivas para instalações de grande porte. - Corrosão. - Proliferação de algas. Potencial mundial estimado: - Total TWh/a (Behrens/Miller) - Potencial médio de 14 kw/m (Meliss)

28 Princípio da Usina Ondomotriz

29 Princípio da Usina Maremotriz Maré Alta Baía Mar - Fecha-se o fluxo de água quando o nível do mar e da baía se equiparam - O fluxo de água é liberado quando a diferença de altura entre os níveis da água for suficiente para operar a turbina de modo eficiente. Maré Baixa Baía Mar

30 Usina Maremotriz Severn Barrage Sul da Inglatera (projeto) 16 km de barragens 216 Turbinas 8500 MW de potência 5% do consumo britânico de eletricidade Amplitude das marés de até 15 m Aprox.19 Bilhões Impacto ambiental imprevisível

31 Usina Maremotriz Rio Rance / Saint-Malo (França). St. Malo, Bretagne

32 Energia de Correntes Marinhas Parâmetros para instalação: Velocidade média mínima de 2,5 m/s Profundidade entre m Diâmetro m Rotor RPM (10x mais lenta que um navio) Impacto ambiental de pequena escala Locais com potencial (UK) Lynmouth, Devon (UK) 300 kw

33 Energia de Correntes Marinhas

34 Energia de Correntes Marinhas - Manutenção

35 Energia de Correntes Marinhas Queensboro Bridge Manhattan Queens Exemplo norte-americano East River, New York (EUA) UN 16kW 3m de diâmetro

36 Aula energias renováveis Hidrelétrica - Desenvolvimento e uso - As usinas hidrelétricas - Turbinas - Sistemas de grande porte

37 Hidrelétrica Convertendo Energias Turbina Pelton (Turbina tangencial) Turbina Francis (Turbina radial) Turbina Kaplan (Turbina axial) Turbina de Fluxo Cruzado (BR:Michel-Bianki) Sub axial Submersa Parcialmente Submersa Suspensa

38 Principais Tipos de Turbina Francis Pelton Kaplan Carcaça Rotor Carcaça Rotor Eixo da turbina Difusor com pás ajustáveis Difusor com pás ajustáveis Entrada de água Entrada de água Pás do rotor axial Entrada de água Cubo do rotor Saída de água Entrada de água Injetor Saída de água Saída de água

39 Turbina Kaplan

40 Exemplo de Instalação Turbina Francis

41 Fabricação da Turbina Francis

42 Turbina Francis em corte com pás ajustáveis (amarelo)

43 Conjunto Turbina Gerador em Corte GERADOR Estator Rotor Eixo TURBINA Palhetas diretrizes Entrada de água Pás Reguláveis

44 Turbina Pelton com Injetores

45 Turbina Pelton

46 Aula energias renováveis Hidrelétrica - Desenvolvimento e uso - As usinas hidrelétricas - Turbinas - Sistemas de grande porte

47 Hidrelétrica de Três Gargantas na China Dados Técnicos Período de construção: Nível máximo da água: 180,40 m Nível normal: 175 m Capacidade da barragem: 22,1 bilhões m³ Área inundada: km² Capacidade Instalada: 18,2 GW Número de turbinas: 26 Tipo de Turbina: Francis Cidades inundadas: 13 Fábricas inundadas: 657 População deslocada: aprox. 1,3-2 Milhões

48 Hidrelétrica de Três Gargantas na China

49 Hidrelétrica de Três Gargantas na China

50 Hidrelétrica de Três Gargantas na China - Construção

51 Hidrelétrica de Três Gargantas na China - Maquete

52 Hidrelétrica de Três Gargantas na China Corte Esquemático

53 Usina de Itaipu Dados Técnicos Construção: 1975 bis 1982 Altura da Barragem: 196 m Nível máximo da água: 190 m Nível normal: 100 m Capacidade de armazenamento de água: m³ Área alagada: mínima km²; normal km²; máxima km² Comprimento: 170 km Capacidade Instalada: MW (até 2004); MW (desde 2005) Turbine: Francis População deslocada:

54 Usina de Itaipu

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