PROJETO DE IMPLANTAÇÃO DA MICROCENTRAL HIDRELÉTRICA DE RONCADOR

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1 PROJETO DE IMPLANTAÇÃO DA MICROCENTRAL HIDRELÉTRICA DE RONCADOR Josirene Aparecida Arcie Polli 1, Gilberto Manoel Alves 2 e Paulo Cicero Fritzen 3 1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Av. Sete de Setembro, Curitiba/PR Resumo A prefeitura de Bocaiúva do Sul/PR e a Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) firmaram acordo para criação de um Centro de Educação Ambiental na cidade. Este acordo inclui a reativação da Microcentral Hidrelétrica (MCH) Roncador, para geração de energia elétrica, através de quatro tipos diferentes de turbinas, que servirá de laboratório didático para a comunidade acadêmica. O trabalho teve por objetivo realizar os estudos para o projeto de implantação da MCH Roncador, que se encontra desativada desde Para o estudo da mesma, foi realizada uma revisão da literatura existente e trabalho de campo onde se analisou a estrutura existente e todas as estruturas necessárias para implantação de uma MCH. Após análise verificou-se que trata-se de uma central hidrelétrica à fio d água, onde parte da estrutura existente poderá ser reaproveitada, entretanto, observou-se a necessidade de reconstrução total de algumas estruturas. A queda bruta medida do aproveitamento foi de 14,8 m, com uma vazão de 0,450 m 3 /s e uma potência de 47kW. Palavras-chave: Implantação. Microcentral hidrelétrica. Bocaiúva do Sul. Abstract The city of Bocaiúva do Sul/PR and the Federal Technological University of Paraná (UTFPR) signed an agreement for the creation of an Environmental Education Center in the city. This agreement includes the reactivation of Roncador hydroelectric micro-station, to generate electricity through four different types of turbines, which will serve as a teaching laboratory for the academic community. This work aimed to carry out studies for the implementation of the Roncador hydroelectric micro-station project, which is disabled since For the study, a review of the literature was performed and field work was carried out to analyse the existing and all necessary structures to implement the hydroelectric micro-station. After

2 analysis it was found that it is a run-of-river hydroelectric, where part of the existing structure could be reused, however, there was a need for full reconstruction of some structures. The gross head extent was 14.8 m with a flow rate of m 3 /s and a power of 47 kw. Keywords: Implantation. Hydroelectric micro power plant. Bocaiúva do Sul. 1. INTRODUÇÃO O acesso a eletricidade foi um dos fatores preponderantes para o mundo alcançar o patamar atual de desenvolvimento tecnológico e social. Segundo notícia publicada no site Portal Brasil (2014), a demanda de energia elétrica no país subiu 3,6% no ano de Existem alternativas apropriadas para atender o acréscimo na demanda nacional, uma delas é a Geração Distribuída (GD). Dias (2005) define GD como sendo qualquer fonte geradora com produção destinada a cargas locais ou próximas, alimentadas sem transporte através de redes de transmissão. A busca por fontes alternativas de energia está em pauta atualmente, entre elas as realizadas através de pequenas centrais hidrelétricas (PCHs), que são sistemas de produção energética renovável excelentes (Alves, 2007), tornado atrativos os estudos referentes a implantação de pequenas e micro centrais hidrelétricas. 2. CLASSIFICAÇÃO DE CENTRAIS HIDRELÉTRICAS Segundo a Eletrobrás e DNAEE (1985), para microcentrais hidrelétricas (MCHs) existem dois arranjos básicos a se considerar: Central Hidrelétrica a Fio D água e Central Hidrelétrica de Acumulação com regularização diária de reservatório. Schreiber (1977) define central a fio d água aquela que não dispõem de uma bacia de acumulação d água significativa e cuja produção é inconstante, dependendo da oscilação da vazão do rio. A Eletrobrás e DNAEE (1985) esclarecem que o volume do reservatório criado é desprezado e projeta-se todo o sistema de adução para conduzir a descarga necessária à potência que atenda a demanda máxima. No caso de centrais de acumulação, a Eletrobrás e DNAEE (1985) afirmam que este tipo de central é empregado quando a vazão mínima do rio não é suficiente para atender à

3 descarga necessária à potência para suprir a demanda máxima do mercado consumidor e recorre-se à contribuição de reservatório. As centrais hidrelétricas também podem ser classificadas de acordo com sua potência e a queda de projeto. A Eletrobrás (1982), sugere uma classificação para pequenas centrais hidrelétricas (PCHs) apresentada na tabela (1). Tabela 1: Classificação de PCH quanto à potência e queda de projeto (Manual de PCH Eletrobrás, 1982) CLASSIFICAÇÃO POTÊNCIA - P QUEDA DE PROJETO - H d (m) DAS CENTRAIS (kw) BAIXA MÉDIA ALTA MICRO P < 100 H d < <H d < 50 H d > 50 MINI 100 < P < H d < <H d < 100 H d > 100 PEQUENAS < P < H d < <H d < 130 H d > ESTRUTURA DE MICROCENTRAIS HIDRELÉTRICAS As principais estruturas a serem estudadas para uma MCH são: Barragens, vertedouro, tomada d'água, sistema de adução (canal de adução e tubulação em baixa pressão), câmara de carga/chaminé de equilíbrio, tubulação forçada, casa de máquinas e canal de fuga. 4. MICROCENTRAL HIDRELÉTRICA RONCADOR A Central Hidrelétrica Roncador localiza-se no município de Bocaiúva do Sul, ao Leste do Estado do Paraná, distante 44,6 km de Curitiba. De acordo com o Instituto das Águas do Paraná, o início de operação da usina de Roncador ocorreu em 1953, composto de dois geradores, sendo um de 200 kw e outro de 30 kw, ambos utilizando a turbina do tipo Francis. A usina de roncador é classificada como microcentral hidrelétrica à fio d água, de acordo com as especificações da Eletrobrás e DNAEE (1985), apresentando uma queda bruta (H b ) de 14,8 m, com uma vazão máxima medida de 2,08 m 3 /s.

4 4.1 Estruturas da Microcentral Hidrelétrica Roncador Barragem A barragem deve elevar o nível das águas do rio, permitindo o afogamento da tomada de água. Souza, Fuchs e Santos (1983) enfatizam que, depois de concluída, a barragem deve satisfazer duas condições: ser estável em qualquer condição e apresentar grau de estanqueidade compatível com seus objetivos. A barragem da MCH Roncador é do tipo muro-gravidade e de concreto, com base de pedras argamassadas. Apresenta-se em boas condições de uso e tem as seguintes dimensões: Altura: 2,57 m; Largura: 58 m; Crista: 0,55 m Vertedouro Para Souza (2009), o vertedouro é uma obra projetada e construída com o objetivo de escoar o excesso de água acumulada pelo reservatório, evitando o risco de o nível de água atingir a crista do reservatório ou da barragem. O vertedouro existente na MCH é incorporado pela barragem, a estrutura tem um comprimento de 7,08 m, crista de 0,54 m e altura da lâmina d'água medida de 0,47 m, em condições de uso Tomada D'água A tomada da água é destinada a captar a água, conduzir aos órgãos adutores e daí às turbinas hidráulicas. Deve impedir a entrada de corpos flutuantes, que possam danificar as turbinas (SCHREIBER, 1977). Na MCH Roncador a tomada d'água está ligada diretamente a tubulação forçada, não há nesta MCH tubulação de adução em baixa pressão. A estrutura encontra-se em condições de utilização e sua dimensões são 1,2 m de largura e 3,5 m de altura Tubulação Forçada

5 O conduto forçado é a estrutura que conduz a água à casa de máquinas, pode estar ligado a chaminé de equilíbrio ou câmara de carga, ou conectado diretamente à tomada d'água. No caso da MCH Roncador, a tubulação forçada conecta diretamente a tomada d'água à casa de máquinas, tendo em um ponto determinado uma chaminé de equilíbrio. O dimensionamento do sistema do conduto forçado depende do número de turbinas, vazão turbinada e do comprimento da tubulação (BALARIM, 1996). A estrutura existente está muito danificada e deve ser totalmente refeita. As dimensões da estrutura atual são 0,70 m de diâmetro e 225 m de comprimento Chaminé de Equilíbrio Estrutura existente para diminuir as variações de pressão que se propagam pelo conduto forçado, provocados pelo fechamento ou abertura da turbina. De acordo com Flórez (2014), a necessidade de instalação de uma chaminé de equilíbrio para pequenas centrais hidrelétricas pode ser verificada através da equação (1). Se L cf 5 H b Sendo: L cf comprimento do conduto forçado, em m H b queda bruta, em m (1) Considerando que o comprimento do conduto forçado da MCH Roncador é de 225 m e a queda bruta é de 14,8 m, a equação (1) indica a necessidade de instalação de uma chaminé de equilíbrio para a hidrelétrica Roncador. A estrutura atual da chaminé de equilíbrio apresenta um diâmetro de 3,03 m, uma altura de 6,85 m e encontra-se à uma distância de 35 m da casa de máquinas Casa de Máquinas A casa de máquinas (CM) tem a finalidade de alojar as máquinas e os equipamentos, possibilitar sua montagem e eventual desmontagem e sua operação e manutenção (SCHREIBER, 1977).

6 A instalação existente possui aproximadamente 75 m 2, mas encontra-se totalmente degradada, sendo necessária a revitalização na sua totalidade. Atualmente não há na MCH nenhum tipo de equipamento dentro da casa de força. O estudo de implantação prevê a instalação de quatro tipos de turbinas diferentes e seus respectivos geradores. As turbinas escolhidas para o estudo foram: Banki, Pelton, Francis e Hélice Canal de Fuga O canal de fuga é a estrutura que faz recondução da água ao rio, após a passagem pela turbina (ELETROBRÁS e DNAEE, 1985). Souza (2009) explica que o canal de fuga consiste em reduzir a energia cinética da água a valores que evitem erosão em toda a região de descarga. As estruturas do canal de fuga deverão ser totalmente reconstruídas, um canal de fuga para cada turbina instalada na casa de máquinas. 5. DIMENSIONAMENTO DAS ESTRUTURAS A SEREM RECONSTRUÍDAS 5.1 Conduto Forçado de Saídas Múltiplas Ao implantar quatro tipos de turbinas na microcentral torna-se necessária a construção de saídas múltiplas do conduto forçado. Em estudo realizado por Stahlhoefer (2013), o conduto forçado apresenta um certo diâmetro até o patamar da casa de máquinas, referenciado como trecho unitário, e então se ramifica em condutos de diâmetros menores de acordo com o número de máquinas, apontado como o trecho ramificado. O diâmetro econômico destes trechos foi obtido através da comparação entre os custos de construção do conduto e as receitas deixadas de arrecadar devido às perdas de carga. Utilizando uma vazão de 0,9 m 3 /s para o trecho unitário e uma vazão de 0,45 m 3 /s para o trecho ramificado, Stahlhoefer (2013) chegou aos resultados apresentados nas figuras 1 e 2.

7 2013). Figura 1: Diâmetro do conduto forçado trecho unitário - MCH Roncador (Stahlhoefer, Figura 2: Diâmetro do conduto forçado trecho ramificado - MCH Roncador (Stahlhoefer, 2013). Concluiu-se que para o trecho unitário o diâmetro deve ser de 625 mm e para o trecho ramificado o diâmetro deve ser de 450 mm.

8 5.2 Casa de Máquinas O dimensionamento preliminar da casa de máquinas foi realizado após o dimensionamento das turbinas a serem instaladas, segundo a NBR de A figura 3 mostra o dimensionamento mais detalhado do conduto forçado próximo a casa de máquinas e a disposição das turbinas na mesma. Figura 3: Casa de Máquinas (Stahlhoefer, 2013). 6. RESULTADOS Observou-se que o reservatório vem sofrendo um assoreamento devido ao acumulo de solo desprendido ocasionado por erosões que ocorrem pela diminuição da mata ciliar, sendo necessário realizar um desassoreamento e dragagem no reservatório da MCH. Na

9 barragem e vertedouro observou-se pequenos problemas de erosão e perda de reboco, neste caso uma reforma pode deixar as estruturas em condições de uso. Conforme levantamento feito na MCH, o conduto forçado não encontra-se mais em condições de uso, sendo necessária toda a reconstrução da estrutura. Como a MCH terá em sua planta quatro turbinas diferentes, houve a necessidade de um estudo onde o conduto apresentasse saídas múltiplas. Foi verificada a necessidade de reconstrução total da estrutura da casa de máquinas. No estudo da casa de força não foram consideradas as instalações para o operador, nem a instalação de um pequeno banheiro. O dimensionamento preliminar foi realizado através do dimensionamento das turbinas a serem instaladas, mas apenas após a escolha de fabricantes será realizada a estrutura final da casa de máquinas. Segundo os estudos realizados, a MCH apresenta uma vazão regular de 0,450 m 3 /s entregue a turbina e uma queda bruta de 14,8 m. Para esta vazão e queda, observou-se que a melhor turbina a ser utilizada no empreendimento seria a turbina Francis de eixo horizontal. Entretanto, a reativação da MCH inclui a instalação de outros três tipos de turbina: Pelton, Banki e Hélice. 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS O artigo teve por objetivo contribuir no estudo de pequenas e microcentrais hidrelétricas, que atualmente apresentam grande importância levando-se em consideração a evolução de tecnologias, o reconhecimento de suas vantagens e principalmente pela promoção do desenvolvimento sustentável. O estudo inicial para realização deste tipo de empreendimento busca primeiramente obter um local adequado para aproveitamento energético, que não acarrete em grandes impactos ambientais e impactos a comunidade vizinha. No caso estudado, as estruturas que podem gerar impactos, como a construção de barragem, já estão concretizadas, sendo necessárias apenas pequenas reformas.

10 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALVES, Gilberto M. Avaliação da viabilidade de aplicação de uma microcentral hidrelétrica, para atender consumidores localizados em regiões isoladas f. Tese (Doutorado) Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências Agronômicas, Botucatu, NBR 12591:Dimensões principais de turbinas hidráulicas para PCH, BALARIM, Carlos R. Avaliação expedida do custo de implantação de microcentrais hidrelétricas f. Dissertação (Mestrado) Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências Agronômicas,Botucatu, BEN -Balanço Energético Nacional (2014, ano base 2013). Disponível em: < 2014_Web.pdf> Acesso em: 27 mai DIAS, Marcos V. X. Geração Distribuída no Brasil: Oportunidades e Barreiras. Dissertação (Mestrado) Programa de Pós-Graduação da Universidade Federal de Itajubá. Itajubá, ELETROBRÁS. DEPARTAMENTO NACIONAL DE ÁGUAS E ENERGIAELÉTRICA. Manual de microcentrais hidrelétricas. Rio de Janeiro: [sn], FLORÉZ, Ramiro O.Pequenas Centrais Hidrelétricas.São Paulo: Oficina de Textos, SCHREIBER, Gerhard P. Usina Hidrelétricas. São Paulo: Edgard Blücher; Rio de Janeiro: Engevix, SOUZA, Zulcy de; FUCHS, Ruvens Dario; SANTOS, Afonso H. Moreira. Centrais hidro e termelétricas. São Paulo: Edgard Blücher; Itajubá-MG: Escola Federal de Engenharia, SOUZA, Zulcy de; SANTOS, Afonso H. M.; BORTONI, Edson da C. Centrais Hidrelétricas - Implantação e Comissionamento -2ºed. Rio de Janeiro: InterciênciaLtda, STAHLHOEFER, Marcelo. Estudos Econômico para Repotencializaçãoda Micro Central Roncador Trabalho deconclusão de Curso (Graduação) Curso de Engenharia Mecânica. Universidade Tecnológica Federal do Paraná,Curitiba, 2013.