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CERPCH - Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas

Hidráulica

1. A água

A água possui grande importância na vida, haja visto seus múltiplos usos, bebida, cocção, higiene, agricultura, pecuária, lazer, navegação e geração de eletricidade. Portanto, cabe ao homem utiliza-la de forma consciente evitando que as próximas gerações enfrentem a escassez deste recurso.

A água ocupa cerca de três quartos da superfície da Terra: dos 510 milhões de km2 da superfície do globo 365 milhões de km2 são ocupados pela água, enquanto os continentes ocupam somente 145 milhões de km2.

De toda água existente no planeta 97,3% é água salgada, ou seja, imprópria para o consumo, 2,15% encontra-se nas geleiras e apenas 0,6 % é água doce. De toda água doce 98,5% é água subterrânea e 1,5% se encontram nos rios e lagos, como mostra a figura 1.

A distribuição da água no planeta é desigual, pois há regiões com abundância de água e outras com grande escassez. Conseqüentemente, os primeiros grupos humanos procuraram habitar regiões com chuva suficiente ou próximos de rios garantindo, assim, sua sobrevivência.

Com o rápido crescimento da população e com as exigências de maior conforto, a água foi sendo usada de forma inconsciente, isto é, com grandes desperdícios. Por isso, é importante conhecer a melhor maneira de preserva-la, principalmente nas nascentes, além dos cuidados com sua captação, transporte e distribuição.

2. Energia Hidráulica

O uso da energia hidráulica foi uma das primeiras formas de substituição do trabalho animal pelo mecânico, particularmente para bombeamento de água e moagem de grãos. Tinha a seu favor, para tanto, as seguintes características: disponibilidade de recursos, facilidade de aproveitamento e, principalmente, seu caráter renovável.

A energia hidráulica resulta da irradiação solar e da energia potencial gravitacional, que provocam a evaporação, condensação e precipitação da água sobre a superfície terrestre, é a energia existente na água e que em determinadas condições de vazão e altura de queda, pode ser usada para movimentar maquinas. Assim, a energia hidráulica é convertida em energia mecânica.. Ao contrário das demais fontes renováveis, representa uma parcela significativa da matriz energética mundial e possui tecnologias de aproveitamento devidamente consolidadas. Atualmente, é a principal fonte geradora de energia elétrica para diversos países e responde por cerca de 17% de toda a eletricidade gerada no mundo.

No Brasil, água e energia têm uma histórica interdependência. A contribuição da energia hidráulica ao desenvolvimento econômico do País tem sido expressiva, seja no atendimento das diversas demandas da economia – atividades industriais, agrícolas, comerciais e de serviços – ou da própria sociedade, seja na melhoria do conforto das habitações e da qualidade de vida das pessoas. Também desempenha papel importante na integração e no desenvolvimento de regiões distantes dos grandes centros urbanos e industriais.

A contribuição da energia hidráulica na matriz energética nacional, é da ordem de 79 % de toda a energia elétrica gerada no País. Apesar da tendência de aumento de outras fontes, devido a restrições socioeconômicas e ambientais de projetos hidrelétricos e aos avanços tecnológicos no aproveitamento de fontes não-convencionais, tudo indica que a energia hidráulica continuará sendo, por muitos anos, a principal fonte geradora de energia elétrica do Brasil. Embora os maiores potenciais remanescentes estejam localizados em regiões com fortes restrições ambientais e distantes dos principais centros consumidores, estima-se que, nos próximos anos, pelo menos 50% da necessidade de expansão da capacidade de geração seja de origem hídrica.

As políticas de estímulo à geração descentralizada de energia elétrica promovem uma crescente participação de fontes alternativas na matriz energética nacional, e nesse contexto, as pequenas centrais hidrelétricas terão certamente um papel importante a desempenhar.

3. Vazão

É a relação do volume de água medida em litros ou metros cúbicos pelo tempo em segundos, minutos ou horas, necessários para encher um reservatório como: tanque, tambor, caixa d´agua, etc.

A vazão é representada pela letra Q e pode ser calculada através da formula:

Q = v/t

onde :

Q = Vazão em metros cúbicos por segundo

v = Volume do reservatório

t = tempo

Esta definição de vazão se aplica a qualquer fluxo de água. Para se medir a vazão basta se utilizar uma mangueira conectada a um funil, um reservatório de um litro e um relógio ou cronômetro. Em seguida, marca-se o tempo que a água leva para preencher o reservatório. Para encontrar a vazão basta dividir o volume pelo tempo gasto para preencher o reservatório.

Em qualquer estudo para implementação de uma usina a medição da vazão é fundamental para se dimensionar o potencial da planta.

4. Altura de queda d’água local

Ao utilizar a energia hidráulica do rio, no acionamento de máquinas para bombeamento ou geração de eletricidade, é importante verificar se há uma diferença entre a altura do ponto de captação da água e o local onde será instalado o equipamento hidráulico. Essa altura é definida como altura de queda [H].

5. Máquinas acionadas pela água

A energia proveniente dos cursos d’água, pode ser aproveitada para acionar vários tipos de máquinas que desempenham diferentes funções, tais como:

? monjolo – máquina usada na moagem dos grãos similar ao pilão;

? carneiro hidráulico – máquina que funciona como uma bomba;

? roda d’água – máquina usada para bombear água e, também, para gerar energia elétrica em pequena quantidade;

? turbina hidráulica – máquina usada em centrais hidrelétricas e que acoplada a um gerador transforma a energia mecânica em elétrica.

Para aciona-las é necessário realizar estudos técnicos para a criação de reservatórios ou pequenos canais com a finalidade de acumular e desviar parte da água dos rios.

6. Monjolo

O monjolo é simples de construir, pois pode ser feito com tronco de madeira.

Deve ser colocado num local onde exista altura de queda suficiente para instalar uma calha, cuja função é captar e desviar parte do fluxo de água para dentro de uma caçamba que funciona como um reservatório.

Na medida que este reservatório é preenchido, o peso da água vence o peso do tronco fazendo levantar a outra extremidade. Neste momento, parte da água é jogada fora e como o peso da água restante no reservatório é menor do que o peso do tronco, o mesmo retorna a posição inicial com força suficiente para moagem dos grãos que estarão dentro de um pilão

7. Carneiro Hidráulico

O carneiro hidráulico é uma máquina de baixo custo, usada para bombear pequena quantidade de água. Apresenta facilidade de uso e tem pouca manutenção.

Para funcioná-lo não há necessidade de energia elétrica ou qualquer combustível, pois utiliza como energia a própria queda d’água. As únicas peças que podem sofrer desgastes com o tempo são: a válvula de impulso e de recalque devendo ser trocadas.

É capaz de aproveitar o efeito que decorre da interrupção rápida do movimento da água, em uma dada direção. Com esta interrupção, ocorre um aumento da pressão dentro da máquina sendo suficiente para abrir a válvula de recalque, pela qual parte da água é transportada por uma mangueira até um reservatório localizado acima do carneiro hidráulico.

8 . Roda d’ água

O uso das rodas d’água é muito antigo. Data-se que em 2.000 a.C, no Egito, já era utilizada para bombeamento. A princípio tinha a estrutura feita de madeira rústica e baldes presos a essa estrutura formando as caçambas. Com o avanço da tecnologia essa estrutura foi aperfeiçoada até chegar nos modelos atuais.

O funcionamento se dá por causa de um desvio do fluxo de água local que é levado até a roda. Para fazer esse desvio pode-se usar tubo de PVC, chapas de aço galvanizado, calha de madeira ou alvenaria com altura de 10 a 20cm do topo da roda para que a água ao cair sobre as pás possibilite seu giro.

A velocidade de rotação é muito baixa, isto é, de 1 a 40 giros por minuto, mas mesmo assim pode ser utilizada para movimentar moinhos, serrarias; gerar eletricidade (100 a 3000 Watts) e bombear água a um reservatório.

Deve ser instalada sobre uma base de madeira, tijolo ou concreto e bem nivelada para que tenha um bom funcionamento.

9. Turbinas Hidráulicas

Nas centrais hidrelétricas os grupos geradores são constituídos pelo conjunto de turbina (rotor mais caixa espiral), regulador de velocidade ou de carga e gerador. As turbinas são caracterizadas por diferentes tipos de rotores.

As turbinas são especificadas em função da potência elétrica a ser gerada, podendo ter eixo horizontal para pequenas potências ou eixo vertical para potências elevadas.

Em microcentrais hidrelétricas, as turbinas hidráulicas utilizadas são construídas geralmente com eixo horizontal. Dependendo das condições locais de vazão e altura de queda, uma turbina pode mais eficiente que a outra. Assim, torna-se necessário avaliar tecnicamente e economicamente a melhor opção.(* incluir linkTurbinas)

10. Potencial Hidrelétrico Brasileiro

O valor do potencial hidrelétrico brasileiro é composto pela soma da parcela estimada (remanescente + individualizada) com a inventariada. O potencial estimado é resultante da somatória dos estudos:

• De potencial remanescente - resultado de estimativa realizada em escritório,a partir de dados existentes - sem qualquer levantamento complementar - considerando-se um trecho de um curso d’água, via de regra situado na cabeceira, sem determinar o local de implantação do aproveitamento;

• Individualizados - resultado de estimativa realizada em escritório para um determinado local, a partir de dados existentes ou levantamentos expeditos, sem qualquer levantamento detalhado. A parcela inventariada inclui usinas em diferentes níveis de estudos - inventário, viabilidade e projeto básico - além de aproveitamentos em construção e operação (ELETROBRÁS, 2004).

O potencial inventariado é resultante da somatória dos aproveitamentos:

• Apenas em inventário - resultado de estudo da bacia hidrográfica, realizado para a determinação do seu potencial hidrelétrico, mediante a escolha da melhor alternativa de divisão de queda, que constitui o conjunto de aproveitamentos compatíveis, entre si e com projetos desenvolvidos, de forma a se obter uma avaliação da energia disponível, dos impactos ambientais e dos custos de implantação dos empreendimentos;

• Com estudo de viabilidade - resultado da concepção global do aproveitamento, considerada sua otimização técnico-econômica, de modo a permitir a elaboração dos documentos para licitação. Esse estudo compreende o dimensionamento das estruturas principais e das obras de infra-estrutura local e a definição da respectiva área de influência, do uso múltiplo da água e dos efeitos sobre o meio ambiente;

• Com projeto básico - aproveitamento detalhado e em profundidade, com orçamento definido, que permita a elaboração dos documentos de licitação das obras civis e do fornecimento dos equipamentos eletromecânicos;

• Em construção - aproveitamento que teve suas obras iniciadas, sem nenhuma unidade geradora em operação;

• Em operação - os empreendimentos em operação constituem a capacidade instalada.

Os aproveitamentos somente são considerados para fins estatísticos nos estágios “inventário”, “viabilidade” ou “projeto básico”, se os respectivos estudos tiverem sido aprovados pelo poder concedente.

O potencial hidrelétrico brasileiro situa-se ao redor de 260 GW. Contudo apenas 68% desse potencial foi inventariado . Entre as bacias com maior potencial destacam-se as do Rio Amazonas e do Rio Paraná. Na Bacia do Amazonas, destaca-se a sub-bacia do Rio Xingu, com 12,7% do potencial inventariado no País. Outras sub-bacias do Amazonas, cujos potenciais estimados são consideráveis, são a do Rio Tapajós , a do Rio Madeira e a do Rio Negro . Na Bacia do Tocantins, destaca-se a sub-bacia do Rio Itacaiunas e outros, com 6,1% do potencial brasileiro inventariado. Na Bacia do São Francisco, o destaque vai para a sub-bacia do Rio Moxotó e Outros, que representa 9,9% do potencial inventariado. Na Bacia do Paraná, existem várias sub-bacias com grandes potenciais, entre elas a Paraná, Paranapanema e outros, com 8,1% do potencial hidrelétrico inventariado no País.

11. Capacidade Instalada

Em termos absolutos, os cinco maiores produtores de energia hidrelétrica no mundo são Canadá, China, Brasil, Estados Unidos e Rússia, respectivamente. Em 2001, esses países foram responsáveis por quase 50% de toda a produção mundial de energia hidrelétrica (AIE, 2003).

Pouco menos de 60% da capacidade hidrelétrica instalada no Brasil está na Bacia do Rio Paraná. Outras bacias importantes são a do SãoFrancisco e a do Tocantins, com 16% e 12%, respectivamente, da capacidade instalada no País. As bacias com menor potência instalada são as do Atlântico Norte/Nordeste e Amazonas, que somam apenas 1,5% da capacidade instalada no Brasil.

Na Bacia do Paraná, destacam-se as sub-bacias do Rio Paranaíba, Rio Grande, Rio Paranapanema e Rio Iguaçu, com índices que variam de 10,1% a 13,2% da capacidade instalada no País. Na Bacia do São Francisco, destaca-se a sub-bacia dos rios São Francisco, Moxotó e outros, onde estão localizadas as usinas hidrelétricas de Xingó e Paulo Afonso IV, que somam juntas 5.460 MW de potência instalada. Na Bacia do Tocantins, destaca-se a sub-bacia Rio Tocantins, Itacaiúnas e Outros, onde se localiza a Usina Hidrelétrica de Tucuruí, cuja capacidade instalada poderá ser duplicada num futuro próximo.