Aula18

UNIVERSIDADE FEDERAL DE

SÃO JOÃO DEL-REI

ENERGIAS RENOVÁVEIS – TE

PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS

Sumário

1. Equipamento Eletromecânico

2. Automatização e Controle

3. Impacto Ambiental / Gestão Administrativa

4. Aspectos Econômicos

5. Conclusão Geral

6. Matéria da Prova 1

Equipamento Eletromecânico

O equipamento eletromecânico de uma pequena usina hidráulica está formado pelos seguintes elementos:

 Elementos de fechamento e regulação;

 Turbina hidráulica;

 Grupo óleo-hidráulico;

 Caixa multiplicadora de velocidade;

 Gerador elétrico;

 Equipamento elétrico geral;

Equipamento Eletromecânico

Em todo o aproveitamento hidrelétrico é necessária a instalação de algum dispositivo que isole a turbina ou a central no caso de parada.

Estes dispositivos são:

 Comportas;

 Válvulas, que podem ser:

 De fechamento ou segurança: válvula de guarda;

 De regulação: são os injetores nas turbinas Pelton ou os

distribuidores nas turbinas de reação, tipo Francis e Kaplan.

Equipamento Eletromecânico

As comportas são utilizadas para fechar o acesso da água para realizar tarefas de limpeza ou reparações. Estas comportas estão situadas na tomada de água, condutos e canalizações.

Costumam ser comportas de acionamento manual, como a apresentada na Figura 1.

Equipamento Eletromecânico

A válvula de guarda na entrada da turbina é o elemento que permite o fechamento em casos de parada da usina por períodos de manutenção ou no caso de falhas do sistema de regulação.

As válvulas mais utilizadas podem ser manuais ou automáticas, e os tipos são (Figura 2):

 De comporta com by-pass;

 De borboleta;

Equipamento Eletromecânico

Um elemento essencial da instalação hidráulica é a turbina hidráulica. O tipo, geometria e dimensões da turbina estão condicionados, fundamentalmente, pelos seguintes critérios:

 Altura líquida da queda;

 Forquilha de vazões a serem turbinadas;

 Velocidade de rotação;

 Problemas de cavitação;

 Velocidade de fuga;

Equipamento Eletromecânico

Para o acionamento dos elementos de regulação da vazão e válvulas, dispõe-se de um grupo óleo-hidráulico de óleo sob pressão.

Estes acionamentos são:

 o acionamento das pás do rotor;

 o acionamento das pás do distribuidor ou dos injetores;

Equipamento Eletromecânico

Um grupo óleo-hidráulico típico pode conter os seguintes equipamentos:

 Depósito de, aproximadamente, 100 litros de capacidade (com

termostato, chave de esvaziamento e tampa de enchimento);

 Motobomba de engrenagens;  Filtro de aspiração;  Válvulas unidirecionais;  Regulador da vazão;  Pressostato;  Eletroválvula de acionamento de pás;  Servo-acionamento de pás.

Apresenta-se a seguir, o grupo óleo-hidráulico para o acionamento das pás do distribuidor de uma turbina Francis.

Equipamento Eletromecânico

Em pequenas usinas hidráulicas, costuma ser normal a

instalação de uma caixa multiplicadora de velocidade entre a turbina e o gerador, pois a velocidade de giro da turbina hidráulica costuma ser baixa diante da velocidade do gerador elétrico, que costuma ser alta (máquinas elétricas com poucos pares de polos).

A introdução de uma caixa multiplicadora de velocidade implica o surgimento de perdas na transmissão da potência mecânica ou do torque mecânico no eixo, que pode chegar a 4%. São elementos que precisam de maior manutenção do que o resto de elementos da usina.

Figura 4 – Caixas multiplicadoras de velocidade do tipo epicicloidal.

Equipamento Eletromecânico

O gerador elétrico é uma máquina que se encarrega de transformar a energia mecânica de rotação, que proporciona à turbina, em energia elétrica. O gerador (ou alternador) está formado por duas partes:

 O rotor (ou indutor móvel), que se encarrega de gerar um campo magnético variável ao girar arrastado pela turbina.

 O estator (ou induzido fixo), sobre o qual se gera a corrente elétrica aproveitável.

Em centrais menores que 1000 kW, a tensão de geração é de 380 a 500 V_CA, indo até 6000 V_CA para potências mais altas. O

Equipamento Eletromecânico

- Gerador síncrono

Neste tipo de geradores, a velocidade de giro é constante, uma vez sincronizado com a rede elétrica, e resulta da expressão:

Na qual:

n - velocidade de sincronismo expressa em R.P.M.; f - frequência da rede elétrica em Hz (50 ou 60 Hz); p - número de pares de polos do gerador.

Equipamento Eletromecânico

- Gerador assíncrono

Este tipo de gerador é utilizado em usinas com pouca potência, até 500 kW, por sua simplicidade, robustez e baixo custo. Seu rotor está formado por condutores ou barras de curto-circuito (Figura 5).

Figura 5 – Detalhe construtivo de um gerador assíncrono.

Equipamento Eletromecânico

O gerador assíncrono apresenta a vantagem adicional de

não precisar de um sistema de excitação, o que simplifica o equipamento e facilita as manobras sequenciais de arranque.

Para tanto, atua sobre a admissão da turbina, acelerando-a ligeiramente acima de sua velocidade de sincronismo, momento em que um sensor de velocidade é a ordem de fechamento do interruptor de linha.

Estes tipos de geradores consomem energia reativa da rede para a criação do campo magnético.

Equipamento Eletromecânico

Em uma central hidrelétrica é necessário um equipamento elétrico que tem por objetivo transformar a tensão, medir os diferentes parâmetros da corrente elétrica da central, a conexão à linha de saída e a distribuição da energia.

Um elemento fundamental constitui-se no

transformador de tensão. Dependendo da tensão de trabalho do gerador, a transformação pode ser de baixa/média ou de média/alta tensão.

O objetivo é elevar a tensão ao nível da linha existente para tornar possível uma transmissão sem perdas excessivas.

Equipamento Eletromecânico

É normal instalá-lo no interior do edifício da central, ainda que em algumas ocasiões seja instalado fora, principalmente quando a tensão de saída é maior do que 30 kV.

Devem contar com um sistema de refrigeração natural ou por circuito fechado de óleo ou silicone. Podendo ser:

 Transformadores encapsulados em seco (resina epoxy),

quando instalados no interior do edifício da usina, minimizando a obra civil da subestação. Apresenta uma

menor evacuação de perdas de calor.

 Transformadores de óleo mineral. Instalados fora da usina, requerem a construção de um fosso para a coleta de óleo

diante de uma fuga ou vazamento. Costumam alcançar

Figura 6 – Tipos de transformadores trifásicos a) De resina epoxy; b) De óleo mineral.

Equipamento Eletromecânico

Dentre os demais equipamentos elétricos necessários encontram-se:

 Disjuntores e seccionadores, utilizados para a conexão e desconexão à rede.

 Transformadores de medida e de proteção;

 Transformador de serviços auxiliares, que fornece a tensão adequada a todos os equipamentos de controle, para o bom funcionamento da central.

 Para-raios ou auto-válvulas, que atuam como

descarregadores à terra das sobretensões produzidas na rede elétrica, sobretudo pelas produzidas por descargas de raios.

Equipamento Eletromecânico

Além dos equipamentos principais anteriormente descritos, deve existir uma série de equipamentos auxiliares necessários para o correto funcionamento das instalações:

 Ventilação;

 Iluminação normal de emergência;

 Equipamento de corrente contínua (baterias) utilizado para alimentar as bobinas de desconexão do disjuntor e o enrolamento de campo de excitação do gerador no arranque;

Equipamento Eletromecânico

 Bateria de condensadores, caso exista um gerador

assíncrono;

 Ponte guindaste (em alguns casos);

 Rede de terra de proteção e serviço, para limitar a tensão no caso do surgimento de uma falta a terra;

 Barreira de limpeza motorizada localizada na tomada de água e na entrada do conduto forçado;

 Sistema de proteção contra incêndios;

 Água de refrigeração para os geradores síncronos de grande potência.

Equipamento Eletromecânico

Para o correto funcionamento da usina é necessária a instalação de diversos mecanismos de regulação e controle de seu bom funcionamento, bem como dispositivos de proteção, tanto da usina quanto da linha de saída, diante de possíveis falhas.

Os principais aparelhos de controle e sistemas de supervisão em uma usina hidrelétrica de pequena potência são:

Para o controle da turbina:

 Regulador de velocidade, principalmente para usinas com geradores síncronos;

Equipamento Eletromecânico

 Regulador de tensão para os grupos síncronos;

 Equipamento de sincronização, no caso de geradores síncronos conectados à rede;

 Baterias de condensadores, no caso de geradores assíncronos conectados à rede.

As proteções para os diferentes sistemas atuam quando se produz algo anormal no funcionamento e podem ativar um alarme, a parada do grupo ou a parada da usina.

Automatização e Controle

A automatização de uma pequena usina hidrelétrica tem como objetivos: reduzir os custos de operação e manutenção,

aumentar a segurança dos equipamentos e otimizar o aproveitamento energético da instalação.

O grau de automatização depende de vários fatores: da

localização da usina, do tipo de usina e do custo do pessoal.

A automatização pode ser total, isso é, arranque, regulação e parada, ou simplesmente parada e alarme, quando atua alguma das proteções da usina.

Automatização e Controle

Existem diversos equipamentos mecânicos, como as barreiras de limpeza e comportas, cujo funcionamento também

pode ser automático.

A tecnologia utilizada para o controle remoto geralmente consiste em relés eletromecânicos ou estáticos e um

controlador programável ou PLC de funcionamento autônomo

Automatização e Controle

Os equipamentos de automatização baseados em microprocessadores oferecem uma maior flexibilidade, sendo possível a programação de todas as sequências de funcionamento da central, dentre as quais estão:

 Arranque do grupo;

 Parada normal do grupo;

 Parada de emergência;

 Regulação do grupo por nível ou vazão e por tensão;

Automatização e Controle

Cada sequência se subdivide em um número de estados intermediários estáveis chamados “passos”, que estão

programados de forma sequencial no controlador.

Em cada passo se controla uma série de condições de entrada e, em função destas, emite-se um conjunto de ordens à instalação, esperando-se até receber daquela uma série de

respostas que determinam o salto ao seguinte passo, até que se acabe a sequência (Figura 8).

Automatização e Controle

O funcionamento de uma ou várias centrais automatizadas pode ser administrado por um centro de controle distante através de técnicas de controle remoto.

O sistema de transmissão de informação pode ser feito através da internet ou via GPS.

As manobras de controle remoto são realizadas através de um aplicativo em software SCADA e uma tela gráfica que permite ver o estado das variáveis de controle e introduzir valores para modificar seu funcionamento (Figura 9).

Figura 9 – Imagens das telas gráficas de controle de pequenas usinas hidráulicas.

Impacto Ambiental / Gestão Administrativa

Os Estudos de Impacto Ambiental pretendem analisar e

compreender a relação de incidência entre um projeto

determinado e o meio afetado.

A avaliação do impacto ambiental exige comparar as situações do meio em cada uma das fases do projeto:

construção, exploração e abandono.

Uma vez escolhida a melhor alternativa de projeto do ponto de vista ambiental, passa-se ao desenho de medidas corretivas e preventivas. Ademais, inclui-se um Programa de Vigilância Ambiental, cuja missão é comprovar que as previsões realizadas atendem limites admissíveis.

Impacto Ambiental / Gestão Administrativa

A análise ambiental do projeto permitirá identificar as possíveis causas de impacto que podem ocorrer na fase de construção e na fase de exploração do projeto.

Particularmente, os parâmetros básicos das mini usinas, a serem contemplados nos estudos de impacto ambiental, são os seguintes:

 Objetivos da mini usina;

 Presença de outras mini usinas no trecho do rio;

 Potência instalada;

 Vazões mínimas, de equipamento e ambiental;

Impacto Ambiental / Gestão Administrativa

comprimento, etc.;

 Câmara de carga e chaminé de equilíbrio: características;

 Conduto forçado: localização, materiais utilizados e tipo de conduto;

 Edifício: tipologia construtiva;

 Presença de canais de descarga;

 Plano de obras e medidas de re-vegetação;

 Movimento de terras;

 Disposição e características da rede elétrica;

Impacto Ambiental / Gestão Administrativa

- Identificação e avaliação de impactos

O objetivo da identificação de impactos é analisar os possíveis impactos que podem ser produzidos e o da avaliação

é considerar a gravidade de cada impacto ambiental de acordo com distintos critérios.

Dentre as possíveis alterações do meio físico que as instalações hidrelétricas podem gerar durante a etapa de

construção e a etapa de exploração, encontram-se:

 A inundação de extensas áreas a montante do ponto no qual se coloca o açude ou represa;

 Perdas de solo agrícola, pecuária ou florestal com erosão e inundação;

Impacto Ambiental / Gestão Administrativa

qualidade e quantidade de água e fauna aquática;

 Redução da diversidade biológica;

 Efeito barreira do açude ao trânsito de fauna;

 Impacto acústico originado pelas turbinas e geradores;

 Desaparecimento de espécies animais por degradação ou destruição de seu hábitat;

 Subtração de vazões de água aproveitáveis para outros usos;

 Detração de vazões e efeitos sobre a qualidade de água por fuga, descarga temporal de lodos e diminuição da capacidade de diluição do trecho do rio afetado. Eutrofização (diminuição do conteúdo de oxigênio dissolvido na água);

Impacto Ambiental / Gestão Administrativa

- Efeitos positivos do ponto de vista ambiental

Do ponto de vista ambiental, a energia hidrelétrica apresenta efeitos positivos como:

 Seu uso não consome água: esta se coleta do rio em um ponto e é devolvida no curso em uma quota inferior, uma vez utilizada.

 Auto-abastecimento: seu desenvolvimento origina a redução

da dependência do setor energético exterior e o reforço da segurança de abastecimento.

Impacto Ambiental / Gestão Administrativa

mínima proporção), exceto na fase de construção (nesta fase devem ser implantadas medidas minimizadoras dos impactos ambientais) e na de abandono.

 A energia hidrelétrica constitui um recurso renovável, não emite CO₂ nem NO_x à atmosfera, não contribui com a chuva ácida e não produz resíduos tóxicos de difícil eliminação.

Impacto Ambiental / Gestão Administrativa

impactos gerados são pequenos e facilmente minimizáveis ou evitáveis (escada de peixes, vazão ecológica, soterramento de instalações e condutores, etc.). Deve ser realizado um estudo ambiental específico e desenvolver-se as medidas corretivas.

 Proximidade das áreas de demanda: Normalmente as

pequenas usinas estão localizadas próximas dos pontos de consumo. A distância entre a geração e as áreas de consumo

Aspectos Econômicos

A rentabilidade econômica de uma pequena usina hidrelétrica pode ser avaliada sobre a base da efetividade comparativa. Comparam-se os investimentos na construção e a exploração da usina com investimentos análogos pela variante alternativa que garanta um efeito energético semelhante.

Para realizar esta comparação são utilizados diferentes parâmetros:

 Índice de energia (Custo do investimento/energia produzida em kWh/ano);

 Índice de potência (Custo do investimento/potência instalada em MW;

Aspectos Econômicos

 Confiabilidade;

 Disponibilidade.

Estes indicadores não fornecem uma informação objetiva sobre a viabilidade do projeto, mas são de grande ajuda para, de uma forma rápida, saber se o projeto em estudo é ou não interessante, comparado com os índices médios de projetos semelhantes.

Se o projeto é interessante em uma primeira estimativa, será necessário aplicar os critérios objetivos de análises de rentabilidade.

Aspectos Econômicos

O índice de potência ou custo do kW instalado define-se como o quociente entre o investimento total e a potência instalada em kW e proporciona uma boa relação de comparação entre diferentes projetos. O valor médio do índice de potência situa-se em torno de 1.200 euros/kW.

Na medida em que aumenta a potência instalada da usina, este índice diminui, podendo chegar a um valor próximo de 1.800 euros/kW para uma potência instalada de 5 MW. Para potências instaladas pequenas, com menos de 500 kW, este índice pode chegar a 2.200 euros/kW.

Aspectos Econômicos

Sabendo-se qual é a produção elétrica da usina em um ano médio, com base em um bom estudo hidrológico, cálculo da vazão ideal de equipamento e decisões sobre as turbinas a serem instaladas considerando a vazão mínima, pode-se calcular o índice de energia como o quociente entre o investimento e a energia média produzida em kWh/ano.

Como ocorre com o índice de potência, na medida em que aumenta a potência instalada, o índice de energia diminui. Seu valor médio situa-se em 0,36 euros/kWh. Para potências menores do que 500 kW alcança valores em torno de 0,43 euros/kWh e para potências de 5 MW diminui a 0,32 euros/kWh.

Aspectos Econômicos

- Horas equivalentes de funcionamento ou tempo característico

As horas equivalentes de funcionamento de uma usina podem ser calculadas como o quociente entre a produção anual em kWh e a potência instalada em kW. Na medida em que a potência instalada aumenta, o número de horas equivalente ou tempo característico diminui. Este tempo característico dá uma ideia do grau de aproveitamento da usina.

Cada tipo de usina tem um tempo característico médio: Usinas situadas em canal de irrigação, entre 4.300 a 2.000 horas; ao pé da represa, uma média de 2.500h; de tipo corrente, entre 3.100h e 4.000h. Como média, o número de

Aspectos Econômicos

Define-se como a relação entre a energia média gerada em um ano tipo e a energia que poderia produzir a usina se trabalhasse 8.760h / ano a plena potência:

Este fator está relacionado com as horas equivalentes de funcionamento. Para pequenas usinas hidrelétricas que funcionam entre 2.500 a 4.000 h, este fator está entre 29 e 43%.

Aspectos Econômicos

A confiabilidade da usina é obtida como:

Aspectos Econômicos

Dentre os critérios para analisar a rentabilidade de um investimento, encontram-se os que se baseiam em considerações do valor do dinheiro no tempo, podendo-se citar:

 Valor atual líquido (VAL);

 Taxa interna de retorno (TIR);

 Período de retorno do investimento (PAY-BACK).

A análise destes indicadores pode ser realizada

Aspectos Econômicos

Os fatores mais importantes a serem considerados para poder realizar o estudo econômico são:

 Vida útil da instalação: pode-se tomar entre 25 e 40 anos;

 Período de amortização do investimento: como média, costuma ser de 25 anos;

 Investimento: Custo total de execução do projeto;

 Fundo de manobra: Requerido para realizar o pagamento de impostos ou para depositar fianças;

Aspectos Econômicos

 Gastos pré-operacionais: Deve-se considerar estes gastos gerados pela realização do projeto concessional, gastos administrativos, licenças, seguros de responsabilidade civil, estudo de impacto ambiental, etc.;

 Ingressos pela venda da energia produzida a uma companhia distribuidora de energia;

 Gastos de operação e manutenção. São os gastos produzidos na exploração da usina, como pessoal, reposição, seguros, etc.

 Impostos. A Confederação Hidrográfica pode exigir um imposto por turbinar vazões que foram previamente reguladas por obras hidráulicas localizadas a montante do aproveitamento;

Aspectos Econômicos

 Divida adquirida com uma entidade bancaria com uma taxa de juros anual;

 Taxa de juros: costuma-se considerar entre 2% e 3% ao ano;

 Subvenções.

A distribuição percentual do investimento em uma pequena usina hidráulica, na grande maioria dos projetos, ocorre como indicado na Figura 11.

Conclusão Geral

As pequenas usinas hidrelétricas têm períodos de gestação mais curtos, de dois a cinco anos, em comparação com as grandes usinas hidrelétricas, que pode estar em torno de sete

anos. Além disso, estas pequenas usinas, ou mini usinas, têm um

período de retorno do investimento menor e seus custos de operação e manutenção são mais baixos. São mais fáceis de construir e de funcionar porque seu desenho é mais simples, o que proporciona também custos menores.

As usinas hidrelétricas grandes requerem estudos rigorosos que não são necessários para a construção de uma pequena usina hidrelétrica.

Conclusão Geral

Ademais, a construção de uma pequena usina de energia hidrelétrica tem um impacto ambiental mínimo e não perturba o habitat, como é o caso das grandes plantas de energia hidrelétrica. Sua instalação não implica a construção de grandes represas e barragens e, portanto, não enseja os problemas de

desmatamento, inundação e reabilitação.

Além disso, não requerem uma grande superfície de terra para sua instalação e podem ser construídas para aproveitar pequenas correntes de água, com pequenas quedas. São de alta confiança e disponibilidade, por ser uma tecnologia plenamente desenvolvida e madura.

Matéria da Prova 1

Para a prova de Energias Renováveis, que está marcada para o dia 08/10, os seguintes tópicos serão avaliados:

- Energia e Mudanças Climáticas;

- Energia Fotovoltaica;

- Pequenas Centrais Hidrelétricas.

Caso a data da prova seja alterada para o dia 10/10, será

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hidroeléctricas de agua fluyente mediante sistemas expertos. Tesis Doctoral, ETSII- Madrid 1998. Universidad del Valle en Santiago de Cali.Colombia.

2. De Juana, José Mª. Energías Renovables para el desarrollo. Editorial

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4. Carta González, José Antonio y otros. Centrales de energías renovables.

Editorial UNED- Pearson Prentice Hall. 2009.

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hidroeléctricas.1996

6. ESHA, European Small Hydropower Association. Guide on How to

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