Obras HidráulicasMonferrer IAHR AIPH XXI CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA SÃO PEDRO, ESTADO DE SÃO PAULO, BRASIL, OCTUBRE, 2004 A POSSIBILIDADE DE RECUPERAÇÃO ENERGÉTICA DA ÁGUA DE ATRAÇÃO DO ELEVADOR DE PEIXES DA UHE SANTA CLARA Viviane Pinto Ferreira Magalhães ferreiraviviane@ig.com.br Paulo Pompeu dos Santos pompeups@uai.com.br Carlos Barreira Martinez martinez@cce.ufmg.br Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos Universidade Federal de Minas Gerais Av. Antônio Carlos, 6627 - Pampulha - Belo Horizonte MG Brasil - CEP 31270-901 RESUMO: Um mecanismo de transposição de peixes (MTP) para ser eficiente deve atrair os peixes para a entrada e possibilitar que estes nadem contra o fluxo de água com o menor esforço possível. Entretanto, o volume de água utilizado em um MTP, pode significar uma considerável redução na vazão disponível para a geração. Este artigo apresenta um levantamento da possibilidade de recuperação energética da água de atração utilizada para a operação do mecanismo tipo elevador com caminhão-tanque implantado no aproveitamento hidrelétrico de Santa Clara, localizado no rio Mucuri. A inserção de uma unidade geradora de pequeno porte junto ao MTP apresentaria uma série de vantagens, principalmente por possibilitar a geração em situação de baixa vazão em um ponto de rendimento elevado. Esta estratégia, também aplicável a outros mecanismos de transposição, teria como benefícios: melhoria da atratividade do MTP, aumento do rendimento global dos grupos geradores e aumento da energia total gerada pelo empreendimento. ABSTRACT: The possibility of hydropower recovering installation to save energy through the Santa Clara fish lift attraction water system, Mucuri River, Brazil. The efficiency of a fish passage system depends on its capacity to attract the fish to the entrance and allow their swimming with the lower energy cost. However, the amount of water employed in a fish passage can represent a substantial loss of the available water for generation purposes. This paper presents the possibility of hydropower recovering installation to save energy through the fish lift auxiliary water system, built in Santa Clara Dam, Mucuri River, Brazil. The incorporation of a small power generation unit (mini-turbine) in the fish lift would have several advantages, mainly to permit power generation with high revenue at low flow. The adopted approach, also applicable to others fish passage designs, could improve the fish attraction, increase the turbines revenue and increase the amount of produced energy. PALAVRAS-CHAVE: transposição de peixes, elevador tipo caminhão-tanque, vazão de atração, custo energético.
INTRODUÇÃO Grande parte dos peixes de maior importância para a pesca são os popularmente conhecidos como de piracema, isto é, peixes que migram sazonalmente rio acima entre os locais de alimentação e de reprodução. Além dos obstáculos naturais, estes peixes precisam sobrepor as ameaças criadas pelo homem: a poluição, a pesca predatória e as barragens (Vazzoler & Menezes,1992). A construção de barramentos para instalação de hidrelétricas nos cursos dos rios têm sido uma das principais causas da diminuição dos estoques pesqueiros, já que sua construção impede o livre deslocamento dos peixes, principalmente os de piracema, em sua migração ascendente (Bernacsek,1984; Godinho, H.P. & Godinho,1994;Pavlov,1989) Mecanismos que possibilitem a transposição dos peixes, minimizando assim os efeitos dos barramentos, tais como a escadas, elevadores e eclusas para peixes vêm sendo instalados, impulsionados com a edição de leis estaduais que visam atenuar os impactos dos barramentos sobre os peixes de piracema, espécies mais significantemente afetadas. A Lei Estadual 12.488, de 09/04/1997, torna obrigatória a construção de mecanismos de transposição de peixes em barragem a ser edificada em curso d'água no domínio do Estado de Minas Gerais, exceto quando em virtude das características do projeto a medida for considerada ineficaz. Ainda de acordo com esta lei, as barragens já existentes têm o prazo de 5 anos para se adaptarem à legislação. Além da Lei 12.488, o artigo 20 o do Decreto 38.744, de 09/04/1997, determina que para o licenciamento ambiental de novas usinas hidrelétricas, é exigida a construção destes mecanismos. Projetos de lei desta natureza também vêm sendo discutidos em outros estados brasileiros. Um mecanismo de transposição de peixes (MTP) para ser eficiente deve atrair os peixes para a entrada e possibilitar que estes nadem contra o fluxo de água gastando a mínima quantidade de energia possível (Larinier,2001). Portanto é extremamente necessário possibilitar a localização da entrada, o que é conseguido usualmente através da liberação de um fluxo atrativo para os peixes possam se orientar. Esse fluxo é conhecido como água de atração e é geralmente tomado próximo à saída do mecanismo (a montante da barragem) e liberado, através de difusores, próximo a entrada dos peixes (a jusante da barragem). A adução deste volume de água do reservatório até a entrada para o mecanismo para a transposição geralmente é realizada através bypass em canal aberto ou por um conduto forçado. Entretanto, esse volume de água desviado para melhorar a atratividade de um mecanismo de transposição pode significar uma considerável redução na vazão disponível para a geração. Este artigo apresenta um levantamento da possibilidade de recuperação energética da água de atração utilizada para a operação do mecanismo tipo elevador com caminhão-tanque implantado no aproveitamento hidrelétrico de Santa Clara, localizado no rio Mucuri. CARACTERIZAÇAO DA UHE SANTA CLARA A Usina Hidrelétrica Santa Clara, pertencente à Companhia Energética Santa Clara está situada no rio Mucuri, municípios de Pavão e Carlos Chagas, a cerca de 18 quilômetros de Nanuque, Estado de Minas Gerais (Figura 1). A bacia do Rio Mucuri faz parte do conjunto de bacias com drenagens independentes que drenam a região leste do Brasil denominadas bacia hidrográfica do Atlântico Leste (Menezes, 1972), onde estudos desenvolvidos têm indicado a presença de pelo menos 40 espécies de peixes. Entre estas, pelo menos três são migradoras: a piabanha (Brycon ferox), o piau-branco (Leporinus conirostris) e a curimatá (Prochilodus vimboides). A curimatá destaca-se pela sua abundância e pela sua grande importância para a pesca na região (Pompeu & Vieira, 2001; Pompeu & Vieira,2002). A barragem de Santa Clara foi construída na região de transição entre o baixo e médio cursos do Rio Mucuri, próximo à divisa com o estado da Bahia a uma distância de cerca de 100 km da foz no Oceano Atlântico. A usina hidrelétrica aproveita a queda de 52,10 metros que corresponde a diferença entre a cota de retenção da barragem e a restituição no rio a jusante. A barragem tem comprimento na crista de 239 metros e possui uma altura máxima sob a fundação de 60 metros. A bacia hidrográfica controlada pela barragem é de 15.100 km 2. O reservatório formado pela barragem tem 20 km de comprimento inundando e uma área de 7,51 km 2 no nível máximo normal de operação (cota de 86,00m), sendo a capacidade total da represa de 150,59 x10 6 m 3. O vertedouro de superfície, localizado no leito do rio, próximo a margem esquerda, sobre barragem em concreto
rolado é equipado com 3 comportas do tipo segmento de 10,6 metros de largura por 15,86 metros de comprimento, com capacidade para escoar a vazão de projeto de 4.708 m 3 /s. A tomada de água, localizada na ombreira direita consiste de uma estrutura de concreto com 3 aberturas protegidas por grades, stoplogs e comportas tipo vagão. Os condutos forçados aduzem uma vazão de 142m 3 /s correspondente a vazão de máximo engulimento das turbinas. A casa de força do tipo abrigada contêm 3 unidades geradoras com turbinas Francis com potência nominal de 20,60 MW cada uma, perfazendo a potência total de 61,80MW e rotação nominal de 257,14 rpm. Apresenta-se na Figura 2 uma vista geral da UHE Santa Clara. Figura 1 Localização da UHE Santa Clara Rio Mucuri Figura 2 Vista aérea da UHE Santa Clara (fonte: www.uhesantaclara.com.br/) Recentemente, os projetos de elevadores para peixes têm se voltado para sistemas do tipo trapping and trucking, (Clay 1995) em que os peixes são captados a jusante da barragem em reservatórios e transportados para montante em caminhões-tanque. A Figura 3a mostra os componentes de um sistema de transposição do tipo elevador em caminhão-tanque.
O mecanismo de transposição para peixes inaugurado em novembro de 2003 junto à barragem de Santa Clara é do tipo elevador com caminhão-tanque onde as espécies migradoras são atraídas através de uma vazão de atração máxima de 3 m3/s, conduzida deste o nível do reservatório a montante até o canal no interior do mecanismo, através de um conduto forçado. Este canal, que faz a ligação entre a caçamba para transposição de peixes e o rio, possui 2 metros de largura e 15 metros de comprimento, escavado lateralmente, a jusante do canal de fuga. A entrada do canal possui uma comporta para regulação do nível d água, com 1,8 m de vão livre e 3,8 m de altura operada para criar um desnível máximo de 0,30 m, de forma a criar um fluxo atrativo para o direcionamento e localização da entrada para o mecanismo. Ao entrarem no interior do canal os peixes são aprisionados e direcionados por uma grade confinadora até a região da caçamba, de capacidade de 4 m 3, que é içada e direcionada para um caminhão (Figura 3b). Os peixes são transferidos da caçamba para o caminhão tanque, sendo então transportados até o local de liberação no reservatório, a montante da barragem (Pompeu,2003). (a) (b) Figura 3a Componentes do mecanismo de transposição do tipo elevador com caminhão-tanque: 1- canal de atração, 2- mecanismo de transferência para a caçamba, 3- caçamba, 4 caminhão-tanque Figura 3b Foto do elevador com caminhão-tanque da UHE Santa Clara Rio Mucuri Fonte: Paulo Pompeu dos Santos (2003) AVALIAÇÃO DO CUSTO ENERGÉTICO DE UM MTP Considerando o mecanismo para transposição do tipo escada, apesar do fluxo d água que desce pela sua calha exercer uma atratividade, nem sempre é suficiente para orientar os peixes para a entrada, sendo necessária uma descarga complementar de água junto à entrada. Esse fluxo adicional tem como intuído estabelecer a atratividade suficiente para que os peixes encontrem a entrada do mecanismo. O grau de atratividade insuficiente é apresentado como um dos principais fatores causadores do mau funcionamento dos mecanismos para transposição, segundo Clay (1995) e Larinier (2001). O fluxo de atração, também conhecida como vazão auxiliar, corresponde a uma parcela da vazão afluente ao aproveitamento que em alguns casos pode representar um valor significativo da vazão disponível. Esta perda de água e conseqüente redução de geração pode significar valores econômicos consideráveis, podendo até inviabilizar a implantação do investimento, principalmente se considerarmos pequenos aproveitamentos hidrelétricos, podendo até inviabilizar a implantação do investimento.
Com o objetivo de identificar o impacto da implantação de um mecanismo para a transposição de peixes em um empreendimento hidroenergético, faz-se necessário um estudo que quantifique as perdas energéticas oriundas desta instalação, fortemente relacionadas com o volume de água disponibilizado a jusante para a atração dos peixes em relação à vazão total disponível para o empreendimento em questão. A proposta deste trabalho é estudar uma alternativa de motorização do sistema de atração de peixes do elevador da UHE Santa Clara onde será analisada a possibilidade de turbinamento deste fluxo como alternativa de recuperação energética. Serão avaliados a perda bruta de geração da UHE Santa Clara e a capacidade de recuperação desta energia perdida levando-se em consideração a eficiência hidráulica do sistema de atração, e o rendimento do grupo gerador usando no sistema de recuperação de energia. Para se estudar a possível motorização de um MTP é necessário que se faça uma série de considerações iniciais. O sistema de motorização deve ser considerado como uma unidade de pequeno porte, onde as restrições de geração são devidas as componentes ambientais e, portanto, todo esquema de geração deve ser direcionado para respeitar estas limitações. O tempo de operação desta unidade deve ser no mínimo igual ao tempo de operação do MTP. Além disso, a energia gerada pelo sistema recuperador deve ser interligada ao parque gerador da usina. O método empregado consiste na realização da simulação da alternativa de motorização da água de atração do MTP até um valor de potência máxima proporcional à máxima vazão aduzida pelo sistema de atração de peixes. Desta forma pode-se identificar uma matriz que irá fornecer dados indicando quais os benefícios energéticos correspondentes para cada índice de motorização do MTP. Considerou-se para esta simulação: a vazão recuperada é de 3 m3/s, correspondente a vazão máxima de atração do elevador de UHE Santa Clara; o desnível será de 52,10 metros, correspondente a queda disponível no local; os dados de vazões utilizados inicialmente para o cálculo da energia média gerada pela UHE são os das vazões médias mensais no período de abril/1976 a outubro/1980, correspondente aos últimos 55 meses de observação da Estação 55700000 (ANA); utilizou-se também o período crítico do sistema energético como base de cálculo para a contabilização da energia gerada, maio/1952 à novembro/1956 - Estação 55700000 (ANA); para a determinação da taxa de recuperação de energia no sistema de atração de peixes, optou-se por fazer a simulação do sistema operando durante doze meses do ano. Os dados a serem utilizados estão apresentados nas Figuras 4 e 5 a seguir. O cálculo da energia gerada na UHE, simulada para os dois intervalos de tempo iguais, com relação ao número de dados de vazão utilizados (55 meses), foi realizada para três diferentes hipóteses. Primeiramente, considerouse o levantamento da potência média gerada pela UHE sem a operação do elevador. Como segunda hipótese, considerou-se o levantamento da potência gerada pela UHE com a operação do elevador e finalmente para a hipótese da potência gerada na UHE operando-se o elevador adicionada à potência gerada por uma unidade recuperadora, supostamente instalada junto ao MTP. A potência gerada (P) foi calculada por Eq.1: onde: g - aceleração da gravidade no local, m/s 2 Q - descarga, em m 3.s -1 H - queda disponível, em m. η - rendimento total do grupo gerador P = g. Q. H η. (kw) [Eq.1]
Vazão (m 3 /s) 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 Tem po (m eses) Figura 4 Vazões Média Mensais no período de 04/1976 a 10/1980. Vazão (m 3 /s) 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 Tem po (m eses) Figura 5 Vazões Média Mensais no período crítico do setor elétrico (05/1952 a 11/1956) Para o cálculo das potências geradas para as três hipóteses adotou-se uma curva típica de rendimento de turbina Francis como sendo característica dos equipamentos da UHE Santa Clara. A curva utilizada está apresentada na Figura 6. A vazão de engolimento para cada turbina foi calculada a partir da curva de rendimento adotada. Nos cálculos evitou-se que as turbinas trabalhem no intervalo de 35 a 55% da vazão. Esse intervalo foi considerado desfavorável por causar desgastes pelos efeitos de cavitação (Encinas,1976). Para a segunda hipótese, onde a operação do MTP é considerada, a vazão de 3,0m 3 /s foi subtraída da vazão total disponível, sendo então programada para ser dividida entre uma, duas ou três turbinas de forma a obter os melhores rendimentos globais e conseqüentemente a maior potência total gerada. Os valores para a terceira hipótese, com a recuperação energética proposta, foram obtidos repetindo-se os procedimentos realizados para a segunda hipótese acrescentando-se o cálculo da geração pela unidade geradora, utilizando a equação (1) para qual foi considerado um rendimento de 85% do grupo gerador, queda disponível de 52,10m e vazão constante de 3m 3 /s.assim calculou-se a potência gerada média para cada uma das hipóteses
Figura 6 Curva característica típica de variação do rendimento em função da porcentagem da descarga para turbinas Francis adotada para a simulação da geração da UHE Santa Clara (FONTE: Encinas,1976) Os resultados obtidos na simulação para os cinqüenta e cinco últimos meses disponíveis e para o período crítico do sistema são apresentados nas figuras 7 e 8 a seguir. Potência (MW) 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 Potência Gerada - (04/1976 a 10/1980) Geração sem MTP Geração com MTP Geração com unid. recuperadora 0,00 0 10 20 30 40 50 60 Tempo (meses) Figura 7 Resultado da simulação para a geração nos últimos 55 meses sob as hipóteses de operação sem MTP, operação com MTP e operação com recuperador de energia.
Potência (MW) 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 Potência Gerada- Período Crítico Setor Elétrico (05/1952 a 11/1956) 0,00 0 10 20 30 40 50 60 Tempo (meses) Geração sem MTP Geração com MTP Geração com unid. recuperadora Figura 8 Resultado da simulação para a geração no período crítico sob as hipóteses de operação sem MTP, operação com MTP e operação com recuperador de energia. Calculando-se a energia gerada para cada hipótese de simulação observa-se que: Para a da simulação da geração no período crítico sob as hipóteses de operação sem MTP, operação com MTP e operação com recuperador de energia, tem-se: A potencia média obtida na UHE sem a operação do MTP é de 24,77 MW ; A potencia média obtida na UHE com a operação do MTP é de 23,55 que a geração sem a operação do MTP. MW ou seja 4,9% menor A potencia média obtida na UHE com a operação do MTP e com a unidade recuperadora de energia é de 24,85 MW ou seja 0,35% maior que a geração sem a operação do MTP. O potencial de recuperação é de 107% da energia supostamente perdida no MTP. Para a da simulação da geração nos últimos 55 meses sob as hipóteses de operação sem MTP, operação com MTP e operação com recuperador de energia, tem-se: A potencia média obtida na UHE sem a operação do MTP é de 42,29 MW ; A potencia média obtida na UHE com a operação do MTP é de 41,36 MW ou seja 2,21% menor que a geração sem a operação do MTP. A potencia média obtida na UHE com a operação do MTP e com a unidade recuperadora de energia é de 42,66 MW ou seja 0,88% maior que a geração sem a operação do MTP. O potencial de recuperação é de 140% da energia supostamente perdida no MTP.
DISCUSSÃO E COMENTÁRIOS FINAIS Os estudos desenvolvidos, a nível preliminar, forneceram um panorama que permite a avaliação energética do impacto da operação do MTP da UHE Santa Clara. É importante ressaltar que o estudo contemplou a operação contínua do MTP ao longo do ano, não se cotejando a possibilidade de paradas fora do período de piracema. A fim de se analisar melhor o impacto da motorização do MTP, dentro do parque gerador da UHE, optou-se por fazer uma simulação, adotando-se dois cenários hidrológicos distintos, quais sejam: no período crítico do sistema (de 05/1952 à 11/1956) e nos últimos 55 meses do histórico de vazões disponível no site da ANA (04/1976 à 10/1980). Assim, visualiza-se nas figuras 7 e 8 as potências geradas nestes dois períodos distintos. Os resultados apresentados para os dois cenários mostram que é possível a obtenção de uma recuperação da energia dissipada no MTP. Para a análise no período crítico a recuperação da energia foi de aproximadamente 107%, já na segunda simulação a recuperação chegou a 140%. Pode-se concluir a partir dos resultados apresentados que a inserção de uma unidade geradora de pequeno porte junto ao MTP apresentaria uma série de vantagens, principalmente por possibilitar a geração em situação de baixa vazão em um ponto de rendimento elevado.isto sugere que seja interessante estudar a possibilidade de se instalar, nos futuros empreendimentos, um sistema de água de atração de maior capacidade. Esta estratégia pode ser vantajosa, e trará os seguintes benefícios: Melhoria da atratividade do MTP; Aumento do rendimento global dos grupos geradores instalados; Aumento da energia gerada no empreendimento. Com base nos resultados apresentados, a operação do mecanismo de transposição do tipo elevador com caminhão-tanque, considerando uma recuperação energética da água de atração, ao invés de representar uma perda energética, constitui-se em um ganho energético. Entretanto, conclui-se também que a determinação da carga a ser despachada em cada máquina é fundamental para que se possa obter este resultado. Deve-se levar em consideração que a análise efetuada nesse trabalho não contemplou a operação energética do reservatório. Apesar da UHE ser a fio d água é possível utilizar-se de um pequeno volume de reservatório para aumentar a capacidade de geração da usina. Sugere-se que trabalhos futuros incorporem a operação do reservatório e analise o aumento da capacidade de turbinamento do sistema de atração de água do MTP de modo a otimizar o empreendimento energético como um todo. BILBLIOGRAFIA Bernacsek, G.M, 1984. Guidelines for dam design and operation to optimize fish production in impouded river basins. CIFA Tech. Pap., 11:98p. Clay, C.H, 1995. Design of fishways and other fish facilites, 2nd Edition.Boca Raton, Lewis Publishers, 248p. Encinas, M. P. 1976. Turbomáquinas Hidráulicas. Editora Limusa. Godinho, H.P. & Godinho Godinho, H. P. & Godinho, A.L, 1994. Ecology and conservation of fish in southeastern Brazilian river basins submitted to hydroelectric impoundments. Acta Limnologica Brasiliensia, 5:187-197. Larinier, M, 2001. Dams, Fish and Fisheries Opportunities, Challenges and Conflict Resolution, FAO, Roma.
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