2.6. POTENCIAL ENERGÉTICO E TECNOLOGIAS
2.6.3. Turbinas hidrocinéticas
As turbinas hidrocinéticas são consideradas uma opção de geração de energia elétrica para comunidades remotas ou para aproveitar a energia remanescente das usinas hidrelétricas, complementando a potência gerada. Em relação à potência classifica-se como picocentral aquela que gera até 5 kW e como microcentral a que gera de 5 até 100 kW (DI LASCIO; BARRETO, 2009);(GALDINO et al., 2009). Estão compostas por cinco subsistemas: o conversor hidrocinético (turbina), ancoragem (fixa ou flutuante), o conversor de energia elétrica e sistema de transmissão e a conexão entre a comunicação e controle
remoto. A turbina possui a carcaça e difusor, núcleo conversor e rotor com as pás e anel (LAGO; PONTA; CHEN, 2010);(BRASIL et al., 2007b)
Lugares estratégicos para a geração de energia hidrocinética nos rios são trechos com declividades fortes, estreitamento da seção transversal e com potencias remanescentes.
Idealmente devem ser instaladas em locais com fluxo relativamente estável ao longo do ano e não propensos a graves eventos de inundação, turbulência ou períodos prolongados de baixo nível de água. Para determinar a potência se utiliza uma equação que leva em consideração aspectos do local de instalação e das características do equipamento (FILHO;
BOTAN; SOUZA, 2016);(RAMÍREZ; CUERVO; RICO, 2016);(HOLANDA et al., 2017);
(SANTOS et al., 2019);(ANYI; KIRKE, 2010);(JOHNSON; PRIDE, 2010).
O coeficiente de Betz (Kb) é um limite teórico que determina a percentagem de energia cinética que pode ser extraída de um fluido em movimento com energia cinética máxima disponível. Por tanto, determina a eficiência global da turbina, no Quadro 5 se encontram as equações usadas para determinar potencial hidrocinético.
Quadro 5. Equações potencial hidrocinético
Número Equação Explicação
2 P = Kb ×1
2 × ρ × A × V3
P: potência total produzida pela turbina (Watts);
Ρ: densidade do fluido ( kg
m3 )
A: área de varredura das pás do rotor (m2);
V: velocidade da água (m
s )
Kb: coeficiente de poder da turbina. densidade do fluido é de 1000 kg/m3 (GÜNEY;
KAYGUSUZ, 2010).
3 A = H × D A é igual ao diâmetro vezes a altura
4 Kb = P
0,5 ρAV3
P: potência total da turbina (watts);
ρ: densidade do fluido (kg
m3 );
A: área de varredura das pás do rotor (m2); V:
velocidade da água ( m
s)
Para determinar o potencial hidrocinético se analisam variáveis hidrológicas e hidráulicas, as ferramentas tecnológicas utilizadas são o Acoustic Doppler Current Profiler – ADCP, Sistemas de Posicionamento por Satélite – GPS, Swoffer e ecobatímetro. Junto com eles são usados softwares especializados em elementos finitos e modelagem numérica como H2D2 – MEF; Winriver II; TELEMAC3D; ANSYS CFX; Método Flutuante de Superfície - SFM e ArcGis que incluem variáveis como distância das comunidades aos rios e à rede elétrica, velocidade, vazão e largura de um curso d'água, declividade, bacia hídrica,
estradas, vias de acesso, uso e ocupação do solo, aglomerados sociais isolados e socioeconômicos. Outro método é calculando a velocidade média diária, a forma geométrica e a distribuição do perfil logarítmico de velocidade da seção transversal de rios com base em dados de vazão diária (FILHO; BOTAN; SOUZA, 2016);(KIRINUS; MARQUES, 2015);
(HOLANDA et al., 2017);(BITTENCOURT; NUNES, 2016);(ELS; BRASIL, 2015);
(BARRETO, 2004);(SOUZA et al., 2004);(FELIZOLA; MAROCCOLO; FONSECA, 2007);(OLIVEIRA, 2016);(CRUZ, 2018).
No Brasil existem estudos de potencial hidrocinético em Usinas Hidrelétricas - UHE na região Norte (Tucuruí, Samuel, Curuá-Una) e na região Sudeste (Ibitinga, Bariri); na Plataforma Continental Sul-Sudeste, no estado da Bahia (Correntina, Barreira e São Desiderio), no Estado do Acre (Marechal Thaumaturgo), no Distrito Federal, nos rios Amazonas, São Francisco e Paraná com os equipamentos e softwares supracitados. Para a Amazônia Ocidental não existem estudos de potencial hidrocinético (FILHO; BOTAN;
SOUZA, 2016);(KIRINUS; MARQUES, 2015);(HOLANDA et al., 2017);
(BITTENCOURT; NUNES, 2016);(ELS; BRASIL, 2015);(CRUZ, 2018).
Nas áreas mais altas dos rios amazônicos, com altitudes acima de 100m, as velocidades permitem aproveitamentos hidrocinéticos. A velocidade média dos rios na região é de 1,5 m/s no período das cheias. Essa grande riqueza hídrica oferece uma oportunidade de atender a demanda de energia elétrica das comunidades (CERPCH, 2005).
A implementação de sistemas hidrocinéticas em corpos hídricos podem causar impactos ambientais. Embora os impactos sejam considerados mínimos, pesquisadores vêm avaliando alterações no sedimento, nas condições hidráulicas do corpo hídrico, ferimento ou morte de peixes e alterações no ecossistema sendo que vai depender de aspectos físicos, biológicos e geográficos do local de instalação (LAWS; EPPS, 2016b).
No Brasil se vem trabalhando com turbinas hidrocinéticas desde 1981 mediante pesquisas para o desenvolvimento e adaptação da tecnologia aos diversos contextos do país para eletrificação rural. As pesquisas foram realizadas por diversas universidades e instituições como o Instituto de Pesquisas da Amazônia - INPA, a Universidade de Itajubá - Itajubá, a Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ e a Universidade de Brasília - UnB. Sendo essa última que teve maior sucesso com a tecnologia mediante vários projetos para geração de energia em campo e elaboração de protótipos (ELS; BRASIL, 2015). Os projetos e protótipos da UnB foram desenvolvidos e adaptados para regiões como Amapá,
Bahia, Pará, São Paulo. A seguir é explicado de forma breve o desenvolvimento de turbinas hidrocinéticas no Brasil, e especificamente, pela UnB.
Em 1981 o INPA instalou no rio Solimões uma turbina hidrocinética conhecida como cata-água, protótipo para geração de energia elétrica de 1 kW com uma velocidade de 0,79 a 1,5 m/s. Contudo, essa turbina não teve aplicação em campo para nenhum projeto, só a modo de protótipo e pesquisa de tecnologia. Em 1991 o Departamento de Mecânica da UnB, atendeu a demanda de um médico interessado em levar energia elétrica para um posto de saúde no município de Correntina na Bahia, dessa forma desenho e construiu vários protótipos de 1 kW potência para o rio Correntes que tinha 2 m/s de velocidade. Foram realizados diversos testes até que em 1995 foi construída a turbina Geração 1 com potência de 2,2 kW. Essa turbina atendeu as necessidades básicas para o posto de saúde ajudando a população local (ELS; BRASIL, 2015).
Em 1999 a UFRJ construiu e testou uma turbina no estado de São Paulo com potência de 3,5kW no rio Pirapó com 1,5 m/s de velocidade, mas o projeto foi para teste experimental e não usada em comunidades. Os testes da UnB continuaram aprimorando a tecnologia até que em 2005 foi construída a turbina Geração 2 com financiamento da Finatec, com potência de 1 kW que ficou em funcionamento no rio Corrente por uma década e parou de funcionar por falta de manutenção (Figura 10) (ELS; BRASIL, 2015);(VAN ELS; DE SOUZA VIANNA; BRASIL, 2012);(OLIVEIRA, 2016).
Em 2006 a UnB instalou a turbina Geração 2 no Amapá no rio Caranã para atendimento produtivo e escolar de uma comunidade de extrativistas, foi realizado com financiamento do Programa Luz para Todos. No mesmo ano foi desenvolvido o protótipo da turbina Geração 3 com potência de 1 kW para ser utilizada em rios amazônicos em parceria com a Eletrobrás, em 2013 novamente com essa instituição foi realizado o desenho da turbina Tucunaré para ser instalada no rio Tocantins na hidrelétrica Tucuruí, com potência de 500 kW e velocidade de 2,5 m/s. Finalmente em 2017 foi criada a turbina Hydro-K para gerar 30 kW e ser utilizada no rio Tietê com velocidade de 2,5 m/s, especificamente, na hidrelétrica com financiamento da AES Brasil (Figura 13). É importante mencionar que a turbina Geração 3 e Hydro-K foram construídas para experimentação, mas não instaladas para funcionamento em comunidades. A turbina Tucunaré não foi construída nem instalada até o momento no rio (ELS; BRASIL, 2015);(VAN ELS; DE SOUZA VIANNA; BRASIL, 2012);(OLIVEIRA, 2016);(BRASIL et al., 2007b);(MAC DONALD, 2017).
O Laboratório de Energia e Ambiente – LEA da UnB é reconhecido mundialmente em relação a turbinas hidrocinéticas, pelos projetos tecnológicos que vem desenvolvendo para abastecer com o serviço de energia elétrica comunidades de difícil acesso no Cerrado e da Amazônia, como por exemplo Bahia e Pará.
Figura 13. Turbinas hidrocinéticas no Brasil
Fonte: Elaboração própria com dados de (ELS; BRASIL, 2015);(VAN ELS; DE SOUZA VIANNA;
BRASIL, 2012);(OLIVEIRA, 2016);(BRASIL et al., 2007b);(MAC DONALD, 2017).