Ganhos de Queda

E = E>η, η%, η, Q, XY?

Os ganhos de queda líquida podem ser obtidos a partir de incrementos de queda bruta e/ou pela minimização de perdas hidráulicas na adução (aumento do rendimento do circuito de adução) e/ou pela eliminação de obstruções ao escoamento na restituição. O que pode ser viabilizado através das alternativas que se seguem:

A. Aumento do nível d’água de montante ou Realocação das estruturas civis e hidráulicas para montante (rearranjo)

O aumento do nível d’água de montante é realizado através do alteamento da crista do vertedor ou barragem vertente, ou pela realocação das estruturas civis e hidráulicas (barramento e circuito de adução) para um ponto mais elevado à montante. Esta última possibilidade é aplicável, normalmente, para PCHs construídas apenas com um desvio do rio, cujo relevo e a geologia local são favoráveis - o que torna os custos de realocação reduzidos.

No caso de UHEs o aumento do nível de montante é uma alternativa pouco aplicável devido aos problemas ambientais, sociais e econômicos que podem ser gerados, pois a área alagada e o volume do reservatório, normalmente, são muito grandes. Sendo que a EPE (2008) pondera que em alguns casos trata-se apenas de um remanejamento do volume máximo operativo que se mostra excessivamente baixo ou da tomada d’água, sem afetar a altura da barragem.

Contudo nas PCHs (principalmente a fio d’água), que normalmente têm uma área alagada e volume do reservatório relativamente pequenos, além de barragem com proporções modestas (em grande parte dos casos com soleira vertente), as restrições técnicas para aumento do nível d’água de montante, através do alteamento, podem ser contornadas e os custos minimizados, configurando-se em uma possibilidade real para incremento de queda em projetos de repotenciação.

O alteamento da crista do vertedor ou barragem vertente pode ser feito diretamente com intervenção civil de ampliação e reforço estrutural ou através da instalação de dispositivos que permitam aumento no nível d’água de montante, dentre os quais se destacam:

A.1. Comportas Agulhas (Flashboards)

Feitas, normalmente, de madeira e apoios de aço, podem ser inseridas na crista do vertedor ou barragem vertente sem aumentar o nível d´água máximo maximorum de projeto e correspondente área alagável do reservatório, ao passo que podem ser removidas na iminência de cheias excepcionais.

Entretanto as comportas agulhas (Figura 16) devem ser operadas (retiradas ou acionadas) a tempo, caso contrário podem provocar o galgamento da barragem.

Fonte: ESHA (2004)

Figura 16: Comportas agulhas com apoio fixo (a) e com apoio articulado (b)

A.2. Comportas Infláveis (inflatable weir)

Outra possibilidade é o uso de comportas infláveis, as quais podem ser ativadas ou desativadas automaticamente, através da programação prévia dos níveis d’agua de referência (mínimo e máximo). Trata-se de uma espécie de bolsa de borracha reforçada, ancorada na estrutura de concreto com chumbadores, inflada por ar ou água através um compressor de ar ou bomba de água, interligados a bolsa de borracha por um tubo (Figura 17).

Conforme ESHA (2004) as comportas infláveis tem como vantagens o baixo custo, operação simples e manutenção mínima, tornando-se econômica quando a largura da crista é significativa em relação à altura da estrutura.

A Obermeyer Hydro patenteou um tipo de comporta inflável (Figura 18) onde a bolsa de borracha incorpora painéis de aço que funcionam como flashboards, e variam sua inclinação através do controle da pressão no interior bolsa, permitindo regular o nível d’água de montante. Acrescenta-se que este dispositivo tem a vantagem de poder ser rapidamente

desativado no caso de eventos de cheias e os painéis de aço protegem a bolsa de borracha de elementos flutuantes que possam vir a perfurá-la.

Figura 17: Esquema funcional de uma comporta inflável (ESHA, 2004)

Fonte: OBERMEYER HYDRO (2012)

Figura 18: Vista esquemática de uma bolsa inflável com placas de aço

A.3. Comportas Fusível (Fusegates)

A tecnologia de comportas fusível (fusegates) consiste em painéis de metal de diversas formas e alturas, livres de anteparos, instaladas sobre a crista do vertedor ou barragem vertente, formando uma estrutura longitudinal estanque.

painel de aço

Podem ser instaladas em barragens já existentes, de forma fácil e sem alterar as características hidráulicas da mesma, ou podem ser inseridas nos estudos técnicos de barragens ainda na fase de projeto.

Na Figura 19 apresenta-se, como exemplo, o resultado da instalação de comportas fusível na usina hidrelétrica de Kastraki, na Grécia, viabilizando incrementos de 1,8 m no nível máximo normal de montante e de 76% na capacidade de armazenamento do reservatório, sem afetar a estabilidade da barragem.

A referida usina, com capacidade instalada de 320 MW e produção média anual de 640 GWh, a partir da implementação do projeto, que teve um custo estimado de 1,5 milhões de euros, teve um incremento de queda, melhoria na eficiência das turbinas, melhoria na flexibilidade operativa e um incremento anual de 41 GWh na produção de energia, totalizando um benefício econômico anual de aproximadamente 3,5 milhões de euros.

Fonte: Adaptado de RAYCAP (2011)

Figura 19: Comportas fusível instaladas no vertedor da usina Kastraki

Segundo RAYCAP (2011) as principais vantagens técnicas desta tecnologia, que a diferencia substancialmente das tecnologias alternativas, é que atua sem a necessidade de operação humana e opera na ausência total de fontes de energia elétrica, utilizando exclusivamente a pressão da água na iminência da cheia máxima maximorum (Figura 20).

Outras vantagens da comporta fusível são: a instalação é fácil e rápida, sem a necessidade de construção de estruturas adicionais; permite utilizar o volume adicional em benefício da atividade de gestão da operação, mas sobre tudo para produção incremental de energia (adiciona “energia limpa”); e aumenta o nível de segurança global da barragem.

A.4. Comportas Basculantes

Este é um tipo de comporta estruturada com placas de aço, retas ou curvas, articulada na base e reforçada com elementos verticais e horizontais, as quais podem ser adaptadas à crista do vertedor ou barragem vertente.

Sua operação é feita, normalmente, com o auxílio de pistões hidráulicos ou guinchos, instalados no lado oposto à articulação para manobra de abertura (elevação) e fechamento (descida).

Fonte: RAYCAP (2011)

Figura 20: Esquema funcional de uma comporta fusível (fusegates)

B. Redução do nível de jusante ou Realocação da casa de máquinas para jusante (rearranjo)

Elevações indesejadas no nível d’água de jusante (canal de fuga/canal de restituição) ocorrem frequentemente em aproveitamentos de baixa queda onde existe grande variabilidade hidrológica no decorrer do ano.

No período chuvoso os níveis de jusante sobem significativamente e acabam por reduzir a queda e por criar uma barreira para o escoamento normal de restituição da vazão turbinada; O que pode ser agravado quando há um encontro, muito próximo, entre o escoamento de restituição da vazão turbinada (canal de fuga) e a restituição do excesso de água que é extravasada pelos órgãos de descarga.

A possibilidade de redução do nível de jusante depende das particularidades do arranjo de cada empreendimento, sendo possível através de: (i) adequações geométricas nas estruturas hidráulicas de restituição - canal de fuga e canal de restituição; (ii) desobstrução do canal de fuga e/ou canal de restituição e/ou do leito natural do rio, cuja obstrução é, normalmente, causada por remanescentes das estruturas provisórias da época de construção (ensecadeiras), processos de rompimento passados (mesmo que parciais), erosões de taludes naturais, depósitos de sedimentos e pedras a jusante.

Já a realocação da casa de máquinas para jusante (rearranjo), que pode ser viável em processos de repotenciação de PCHs, principalmente na modalidade ampliação, se processa quando é possível agregar significativos ganhos de queda, devido ao favorecimento do relevo.

C. Redução das perdas nos circuitos hidráulicos de adução

Reduções de perdas nos circuitos hidráulicos de adução, principalmente perdas localizadas, podem agregar ganhos de queda.

No circuito hidráulico de adução existem perdas localizadas e distribuídas. As perdas localizadas se processam na tomada d’água e na câmara de carga, devido à geometria da estrutura e da existência de hidromecânicos (comportas e grades), bem como na transição do escoamento de baixa para alta pressão, além de eventuais bifurcações da tubulação, válvulas e chaminé de equilíbrio. Já as perdas distribuídas se processam ao longo do canal, galeria e na tubulação de adução (conduto forçado).

Pode-se reduzir perdas nos circuitos hidráulicos com:

(i) Redimensionamento do circuito hidráulico, com mudanças geométricas, eliminação de pontas bruscas, diminuição da rugosidade e etc;

(ii) Substituição de hidromecânicos antigos e deteriorados (comportas, grades, válvulas) por hidromecânicos novos.

Outra possibilidade de diminuição das perdas na adução é a implantação de limpa- grades automáticos, ao passo que em muitas PCHs antigas a limpeza de grade ainda é feita manualmente ou com sistemas rudimentares adaptados. Assim, no período chuvoso, onde a geração de energia deveria ser máxima, é comum haver incremento das perdas na adução pelo

entupimento das grades, devido a grandes quantidades de material sólido carreado pela água, como madeira, lixo, folhas e sedimentos.

Tomando como exemplo a PCH Lajeado, foco do estudo de caso deste trabalho, constatou-se durante os levantamentos de campo que havia um intenso e rápido entupimento da grade da câmara de carga por folhas (vegetação). A perda de carga na grade, exclusivamente devido ao acúmulo de folhas, chegou a atingir o valor de 50 cm, o que corresponde a 0,54% da queda bruta da usina, que é de 92 m.