ESTUDO DE MOTORIZAÇÂO DE MECANISMOS DE TRANSPOSIÇÃO DE PEIXES
Carlos Barreira Martinez * martinez@cce.ufmg.br
Edna Maria de Faria* martinez@cce.ufmg.br
Jair Nascimento Filho* jair@demec.ufmg.br Marcelo Giulian. Marques**
marques@if.ufrgs.br
*UFMG/CPH – Universidade Federal de Minas Gerais/Centro de Pesquisas Hidráulicas Av. Antônio Carlos 6 227, CEP 31 270-901 Belo Horizonte-M.G. -Brasil
**UFRGS/IPH - Universidade Federal do Rio Grande do Sul / Instituto de Pesquisa Hidráulicas Av. Bento Gonçalves 9500, Porto Alegre 9500 – RS - Brasil.
RESUMO
A instalação de mecanismos de transposição de peixes no Brasil foi impulsionada com a edição de leis estaduais que visam atenuar os impactos dos barramentos sobre os peixes de piracema. A Lei 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 20o do Decreto 38.744, de 10/04/1997, determina que para o licenciamento ambiental de novas usinas hidrelétricas, é exigida a construção destes mecanismos. Entretanto em alguns casos, principalmente no caso de pequenos aproveitamentos hidrelétricos, esta parcela pode corresponder a um valor significativo, chegando a valores superiores a 20 % da vazão de turbinamento. Este trabalho apresenta um estudo de motorização dos sistemas de atração de peixes onde é analisada a possibilidade de turbinamento deste fluxo, avaliando-se as perdas energéticas e os tempos de retorno do investimento. Para isso, adotou-se os critérios de análise econômica e energética das pequenas centrais hidrelétricas (PCH’s).
1. INTRODUÇÃO
Considera-se, atualmente, que uma das principais causas da diminuição dos peixes em diversas partes do mundo se deve a implantação de barragens nos rios (Bernacsek 1984, Pavlov 1989, Petts 1989, Swales 1989, Welcomme 1989, Woynarovich 1991, Godinho 1993, Godinho & Godinho 1994, Swales 1994).
Os peixes migradores, também conhecidos no Brasil, como de piracema, são um dos mais afetados pelas barragens. A migração, na sua forma mais simples, é o deslocamento do peixe da área de alimentação para a de desova e seu pos terior retorno, após a reprodução, para a área de alimentação. Para os peixes de piracema, o barramento constituí-se num obstáculo que impede o seu livre deslocamento entre as áreas de alimentação e de desova.
Com o objetivo de se atenuar esse efeito negativo tem-se implantado mecanismos de transposição de peixes (MTP´s) que permitam a passagem dos peixes pelas barragens. Alguns resultados
positivos tem sido verificados com a implantação de MTPs (e.g. Moffitt et al. 1982, Moring 1993 e Clay 1994).
A opera ção dos MTP´s no entanto significa uma perda de água pela calha de passagem do mesmo. Este volume pode ser considerado pequeno no caso de aproveitamentos de grande porte e grande no caso de pequenas centrais hidrelétricas. A fim de se identificar o impacto da implantação dos MTP´s em um empreendimento hidrelétrico faz-se um estudo visando quantificar as perdas energéticas e a partir destas sugere-se alternativas para a sua minimização. Procura-se atuar basicamente no sistema de atração dos peixes fazendo com que parte da energia que será dissipada no sistema seja convertida em energia mecânica através de uma pequena unidade geradora.
2. TIPOS DE MECANISMOS DE TRANSPOSIÇÃO DE PEIXES
Os dispositivos de transposição de peixes podem ser agrupados, segundo Clay (1994), em três categorias gerais: elevadores, eclusas e escadas.
Elevadores são definidos como quaisquer dispositivos, tais como tanques movimentados por cabos, caminhões-tanque, tanques em planos inclinados e etc, que transportem por meio de equipamentos mecânicos os peixes de jusante para montante de uma barragem. As eclusas são dispositivos que consistem em uma câmara na qual o peixe entra ao nível de água de jusante a qual é enchida até que o nível da água no seu interior permita que o peixe nade para o reservatório. As escadas são geralmente constituídas de uma série de tanques em desníveis que conduzem água do reservatório para o canal de fuga. Os tanques são separados por defletores que têm como objetivo dissipar a energia do escoamento de modo a permitir o deslocamento dos peixes, de jusante para montante, nadando ou saltando de um tanque para outro. Entretanto para atrair os peixes para a região de entrada da escada é usual se utilizar de um fluxo de atração que é desviado do reservatório e que permite o direcionamento dos cardumes para dentro do mecanismo. O fluxo de atração corresponde, na maior parte das vezes, a uma pequena parcela da vazão afluente ao aproveitamento.
A utilização de escadas pode ser considerada prática usual em desníveis inferiores a 10 m. Na faixa de 10 a 20 m, escadas, eclusas e elevadores podem ser utilizados. As eclusas são utilizadas geralmente para a transposição de desníveis não superiores a 40 m (Pavlov 1989). Os elevadores possibilitam a transposição em qualquer faixa de desnível.
A eficiência do MTP reside, fundamentalmente, no conhecimento das características biológicas das espécies que o utilizarão. Tal conhecimento pode ser denominado de base biológica dos mecanismos de transposição e inclui diversos aspectos, tais como: (i) habilidades natatórias dos peixes, em termos de velocidades mínimas de atração e velocidades máximas capazes de serem superadas; (ii) padrões migratórios, compreendendo a distribuição temporal e espacial das diferentes espécies; (iii) comportamento no canal de fuga, particularmente a distribuição das diferentes espécies em função de características do escoamento (i.e. profundidade, velocidade, nível de turbulência, qualidade da água, temperatura, oxigênio dissolvido, luminosidade, dentre outros); e (iv) a capacidade dos peixes de localizarem o “caminho de volta” durante a migração para jusante.
As principais partes que compõem as escadas são: entrada, centro e saída. Chama-se de entrada o local por onde entram os peixes (equivalente à saída do fluxo de água) e de saída o local por onde os peixes saem (equivalente à entrada de água). O centro da escada é constituído de uma série de tanques separados por barreiras que controlam o nível de água nos tanques. A Figura 1 mostra um esquema de uma escada para peixes instalada em uma hidroelétrica.
A entrada é talvez a parte mais importante da escada ,Rainey (1991). Fluxos muito turbulentos que provocam redemoinhos próximo à entrada podem confundir os peixes, dificultando a sua localização. Em locais onde a vazão de água da escada é pequena comparada com a do rio, uma quantidade de água suplementar pode ser necessária para aumentar a vazão e a velocidade do fluxo de água na entrada da escada e com isto melhorar a atração dos peixes. Essa água suplementar é conhecida como água de atração e é geralmente tomada próximo à saída da escada e solta, através de difusores, próxima a entrada. Entretanto para o caso de Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH´s) a água de atração, quando necessária, pode representar um valor significativo da vazão disponível, comprometendo o empreendimento como um todo, se considerarmos a redução da energia disponível. No caso de aproveitamentos maiores, mesmo representando um valor marginal esta "perda" de água e conseqüente redução de geração pode significar valores econômicos consideráveis, apesar de normalmente não comprometer a viabilidade do empreendimento.
Figura 1 - Exemplo de uma escada de peixes a ser instalada em uma Usina Hidrelétrica.
4. A ALTERNATIVA DE MOTORIZAÇÃO DE ESCADAS DE PEIXES Sentido do
fluxo de água
Sistema de água de atração
Entrada da escada de peixes Saída da escada de peixes
Casa de válvulas de controle de
vazão
Detalhe da casa de válvulas
Para se estudar a motorização dos MTP´s é necessário que se faça uma série de considerações iniciais, quais sejam: O sistema de motorização deve ser considerado como uma unidade de pequeno porte, onde as restrições de geração são devidas a componentes ambientais e portanto todo esquema de geração deve ser direcionado para respeitar estas limitações. O tempo de operação desta unidade deve ser igual ao tempo de operação do MTP´s, assim nos cálculos do retorno do empreendimento deve -se levar em consideração esta limitação. Além disso deve-se levar em consideração que a PCH deve ser interligada ao parque gerador da usina se constituindo em uma geração marginal. No caso de PCH´s este esquema de recuperação de energia pode assumir dimensões proporcionais elevadas e deve ser considerada como uma unidade complementar à usina. O esquema de um MTP´s do tipo escada de peixes pode ser visualizado pela figura 2. Sabe -se que e alguns casos a va zão de atração pode chegar a valores seis vezes superior a vazão que passa pela calha da escada de peixes.
Figura 2 - Esquema de um MTP´s do tipo escada de peixes
A proposta deste trabalho visa a instalação de uma unidade geradora na região da casa de válvulas do MTP´s de modo a controlar a vazão de atração através do controle de geração da máquina e não pelo acionamento das válvulas. O esquema da instalação proposta pode ser visto pela figura 3 .
Nesta figura pode -se notar que a unidade geradora descarrega a vazão turbinada na região do mecanismo de transposição de peixes destinado a receber a água de atração. Desta forma o fluxo de atração será mantido permitindo a sinalização, para os cardumes de peixes que estão subindo o rio, da entrada do mecanismo.
Reservatório
Saída da escada de peixes
Entrada da escada de peixes Canal da escada de peixes
Traçado do conduto forçado do sistema de atração de peixes
Casa de válvulas de controle de vazão
Figura 3 - Esquema de um grupo gerador acoplado ao sistema de atração da escada de peixes
5. CRITÉRIOS ADOTADOS PARA O DESENVOLVIMENTO DOS ESTUDOS
Para a definição dos parâmetros de dimensionamento da motorização do mecanismo de transposição de peixes é necessário se adotar uma série de critérios de análise para a avaliação do empreendimento. Diferentemente dos critérios adotados para análise de Pequena centrais hidrelétricas (PCH´s), neste caso tem-se que a vazão máxima de projeto é a vazão de atração dos peixes. Além disso, deve -se levar em consideração que esta central geradora irá obedecer critérios de geração baseados na operação do MTP´s e não nos critérios tradicionais1, que normalmente norteiam os trabalhos e estudos de viabilidade de PCH´s. Assim a unidade geradora irá operar como unidade de base frente ao sistema elétrico. A estimativa inicial de custos pode ser feita mediante uma metodologia proposta por MARTINEZ (1988, 1994) ou por aquela de Sant’Ana (1983). Neste trabalho iremos utilizar a metodologia proposta por MARTINEZ (1988, 1994). O resultado deste exercício de determinação de custos e da energia gerada na usina indica a viabilidade da instalação doe uma unidade geradora de energia elétrica no visando o controle da vazão de atração no MTP´s.
O método consiste na realização da simulação da alternativa de motorização do MTP´s até um valor de potência máxima proporcional a máxima vazão aduzida pelo sistema de atração de peixes. Desta forma pode-se identificar uma matriz que irá fornecer dados indicando quais os benefícios correspondentes para cada índice de motorização do MTP´s. É importante citar que para motorizações inferiores à vazão máxima de atração ter-se-á obrigatoriamente um sistema
1Sant'Ana, (1983), Mínimo índice custo/benefício; Máximo benefício líquido; Máximo aproveitamento
energético; Máxima taxa interna de retorno.
Canal de entrada da escada de peixes Grupo gerador acoplado no sistema de atração
auxiliar para complementar a vazão de atração do mecanismo. O benefício corresponde à energia firme gerada para cada alternativa de motorização será valorado pelo custo marginal de expansão do sistema local, no nível de tensão imediatamente superior ao da interligação da central com o sistema. Esta valoração considera que toda energia gerada pela unidade será consumida em um nível de tensão não superior ao de interligação.
Uma vez gerada a matriz para cada alternativa, seleciona-se aquela que apresentar o Índice Custo-Benefício próximo de 1. O beneficio liquido anual (BLA), associado a uma dada usina, pode ser calculado através da equação 1, dada a seguir:
BLA =(TE*E*8760)−Cu−COM. (1)
sendo:
TE = tarifa média de energia, em US$/kWh;
E = energia gerada anualmente pela unidade geradora, em quilowatt hora médio; Cu = custo total da motorização do MTP´s, em US$;
i = a taxa anual de juros;
n = a vida útil econômica da central em anos ; e
COM = custo anual de operação e manutenção da usina em US$.
Sugere-se que se, pesquise taxas de juros que variaram de 10% a 30% a.a. e períodos de retorno do investimento de 5 a 30 anos. A adoção desta faixa se deve ao fato de se procurar mapear uma ampla faixa de alternativas deixando a decisão a encargo de uma análise posterior.
Um fator que deve ser levado em consideração para a contabilização do benefício liquido da central é a produtividade da Usina para cada altura de operação. Isto se deve ao fato de em alguns aproveitamentos se ter um deplecionamento considerável do reservatório durante a operação da usina no período crítico.
6. ESTUDO DE CASO DE MOTORIZAÇÃO DE UM MTP´s.
De forma a ilustrar melhor a proposta deste trabalho será apresentada uma simulação sobre a motorização de um mecanismo de transposição de peixes instalado em uma usina hidrelétrica. O MTP´s em questão tem as características apresentadas na tabela 1.
Tabela 1 - Características do sistema de atração de peixes
Tipo de estrutura Características
Extensão da tubulação 300 (m)
Tipo de válvula Borboleta
Tipo de grupo gerador Francis / Síncrono
Desnível 20 (m)
A estimativa inicial da capacidade instalada e da energia gerada foi baseada nas alturas de quedas disponíveis, na vazão afluente ao aproveitamento e nas variações possíveis da taxa de retorno e vida útil.
A altura de queda adotada inicialmente foi de 20 m. A adoção do desnível máximo como queda de projeto em uma primeira análise visa verificar a viabilidade do empreendimento sob a melhor condição de queda. Caso se tenha um indicativo de viabilidade sob esta hipótese deve -se fazer novas simulações para as diversas alturas disponíveis considerando-se as variações sazonais do nível do reservatório da usina.. Admite-se uma perda de carga inicial variando até um máximo de 3% no sistema de adução do grupo gerador. Desta forma, pode-se chegar ao equacionamento hidráulico e a otimização geral do sistema como um todo. O tempo de operação médio do mecanismo de transposição de peixes considerado é de 300 dias por ano. Assim tem-se uma operação anual de 7200 horas. A forma de funcionamento do sistema elétrico adotada considera que o grupo gerador instalado irá operar sempre como usina de base. O rendimento médio do grupo gerador / sistema de adução considerado foi de 83%.
A estimativa inicial de custos foi efetuada a partir do programa computacional de um modelo de simulação de custos de usinas, parametrizado a partir de um conjunto de UHE’s representativas do nível de tecnologia aplicado ao caso considerado. Com esse modelo é possível selecionar alternativas de motorização baseado no critério de tarifa de energia adotada como ponto de corte para análise. Assim, adotou-se o valor de R$ 42,96/MWh para o patamar de base. O resultado desta simulação está apresentada na tabela 2.
Pode-se observar pela análise da tabela 2 que a motorização do MTP´s apresenta as seguintes características:
• Mantendo-se a queda de projeto em 20 metros o aproveitamento se apresenta viável nas condições adotadas para o estudo, com as seguintes potências instaladas:
• 1060 kW para taxas de juros variando de 10 a 16% a/a e de 10 a 30 anos de período de retorno.
• 980 kW para taxas de juros variando de 10 a 20% a/a e de 10 a 30 anos de período de retorno.
• 900 kW para taxa s de juros variando de 10 a 20% a/a e de 10 a 30 anos de período de retorno.
A partir destes resultados deve-se iniciar uma simulação de geração incorporando a variação de nível do reservatório. Esta simulação indicar alternativas de motorização / taxas e tempos de retorno mais precisas, permitindo uma tomada de decisões mais segura. De modo geral procedendo-se a análise dos resultados da simulação chega-se a conclusão preliminar que a faixa de potência para a motorização do MTP´s deve ficar entre 900 e 1100 kW.
Tabela 2 - Custos de energia gerada para as alternativas de motorização do MTP´s
Potência custo unitário Custo Total
custo de energia gerada R$/Kwh (kW) R$/Kw R$ tempo de análise 10 20 30 10 0,040686 0,029365 0,02652 12 0,044246 0,03347 0,031036 14 0,047928 0,037747 0,035701 1060 1800 1.908.000,00 taxa anual 16 0,051725 0,042167 0,040471 % 18 0,055629 0,046705 0,045316 20 0,059631 0,051339 0,050212 22 0,063724 0,05605 0,055141 24 0,067901 0,060823 0,060095 10 0,033905 0,024471 0,0221 12 0,036872 0,027891 0,025863 14 0,03994 0,031455 0,029751 980 1500 1.470.000,00 taxa anual 16 0,043104 0,035139 0,033726 % 18 0,046357 0,038921 0,037763 20 0,049692 0,042783 0,041843 22 0,053103 0,046709 0,045951 24 0,056584 0,050686 0,050079 10 0,032775 0,023655 0,021363 12 0,035643 0,026962 0,025001 14 0,038609 0,030407 0,028759 900 1450 1.305.000,00 taxa anual 16 0,041668 0,033968 0,032602 % 18 0,044812 0,037623 0,036505 20 0,048036 0,041357 0,040448 22 0,051333 0,045152 0,04442 24 0,054698 0,048997 0,04841 7 - CONSIDERAÇÕES FINAIS
A implantação de mecanismos de transposição de peixes tem esbarrado em uma resistência do meio técnico baseada na afirmação que estes irão reduzir as taxa interna de retorno dos empreendimentos. Entretanto este fato, apesar de correto, não pode ser utilizado como alegação para a não implantação destes sistemas uma vez que existe um dispositivo legal, no Estado de Minas Gerais , que regulamenta e obriga a sua implantação. Assim alguns MTP´s certamente serão implantados em diferentes cursos da água do estado.
Considerando-se que os novos aproveitamentos hidroelétricos tendem a ser de menor queda (uma vez que os de mais alta queda, via de regra, já foram implantados) acredita-se que no Brasil as escadas de peixes serão os mecanismos a serem adotados inicialmente em maior quantidade (Martinez 2000). A proposta apresentada neste trabalho visa iniciar uma discussão sobre a possibilidade de se implantar sistemas recuperadores de energia em usinas hidrelétricas de modo a permitir que os mecanismos de transposição de peixes possam ser instalados sem representar no
entanto um salto em termos de custo de energia gerada pelas mesmas. Este fato é necessário para permitir o aproveitamento econômico dos potenciais residuais sem causar um impacto ambiental de proporções difíceis de se prever com os dados atualmente disponíveis.
Sugere-se a ampliação destes estudos visando a formulação de arranjos básicos que permitam a redução nos custos de implantação destes grupos geradores fornecendo uma alternativa factível para a implantação dos MTP´s no País reduzindo o impacto da geração hidrelétrica sobre a vida aquática.
5 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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