energia 2, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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Derivados de Petróleo | Capítulo 7

Energia Hidráulica

Parte II

Fontes renováveis

Eletronorte

Capítulo 7 | Derivados de Petróleo

Box 3

O caminho da água na

produção de eletricidade

Para produzir a energia hidrelétrica é necessário integrar a va- zão do rio, a quantidade de água disponível em determinado período de tempo e os desníveis do relevo, sejam eles naturais, como as quedas d’água, ou criados artificialmente.

Já a estrutura da usina é composta, basicamente, por barragem, sistema de captação e adução de água, casa de força e verte- douro, que funcionam em conjunto e de maneira integrada. A barragem tem por objetivo interromper o curso normal do rio e permitir a formação do reservatório. Além de “estocar” a água, esses reservatórios têm outras funções: permitem a for- mação do desnível necessário para a configuração da energia hidráulica, a captação da água em volume adequado e a regu- larização da vazão dos rios em períodos de chuva ou estiagem. Algumas usinas hidroelétricas são chamadas “a fio d’água”, ou seja, próximas à superfície e utilizam turbinas que aproveitam a velocidade do rio para gerar energia. Essas usinas fio d’água reduzem as áreas de alagamento e não formam reservatórios para estocar a água ou seja, a ausência de reservatório dimi- nui a capacidade de armazenamento de água, única maneira de poupar energia elétrica para os períodos de seca. Os siste- mas de captação e adução são formados por túneis, canais ou

condutos metálicos que têm a função de levar a água até a casa de força. É nesta instalação que estão as turbinas, formadas por uma série de pás ligadas a um eixo conectado ao gerador. Durante o seu movimento giratório, as turbinas convertem a energia cinética (do movimento da água) em energia elétrica por meio dos geradores que produzirão a eletricidade. Depois de passar pela turbina, a água é restituída ao leito natural do rio pelo canal de fuga. Os principais tipos de turbinas hidráuli- cas são: Pelton, Kaplan, Francis e Bulbo. Cada turbina é adapta- da para funcionar em usinas com determinada faixa de altura de queda e vazão. A turbina tipo Bulbo é usada nas usinas fio d’água por ser indicada para baixas quedas e altas vazões, não exigindo grandes reservatórios.

Por último, há o vertedouro. Sua função é permitir a saída da água sempre que os níveis do reservatório ultrapassam os limites recomendados. Uma das razões para a sua abertura é o excesso de vazão ou de chuva. Outra é a existência de água em quantidade maior que a necessária para o armaze- namento ou a geração de energia. Em períodos de chuva, o processo de abertura de vertedouros busca evitar enchen- tes na região de entorno da usina.

Canal

Duto

Casa de força

Gerador Turbina Rio

Linhas de transmissão de energia

Reservatório

Fluxo de água

Perfil esquemático de usina hidrelétrica

Capítulo 3 | Energia Hidráulica

sujeitos a um possível esgotamento das reservas no médio e longo prazos. Vários elementos explicam esse aparente para- doxo. Um deles relaciona-se às características de distribuição da água na superfície terrestre. Do volume total, a quase to- talidade está nos oceanos e, embora pesquisas estejam sendo realizadas, a força das marés não é utilizada em escala comer- cial para a produção de energia elétrica (para detalhamento, ver capítulo 5). Da água doce restante, apenas aquela que flui por aproveitamentos com acentuados desníveis e/ou grande vazão pode ser utilizada nas usinas hidrelétricas – característi- cas necessárias para a produção da energia mecânica que mo- vimenta as turbinas das usinas.

Além disso, embora desde a Antiguidade a energia hidráulica tenha sido usada para gerar energia mecânica – nas instalações de moagem de grãos, por exemplo – no século XX passou a ser aplicada, quase integralmente, como matéria-prima da eletrici- dade. Assim, a participação na produção total da energia final, que também inclui a energia mecânica e térmica, fica compro- metida. Já a redução da participação na matriz da energia elétri- ca tem a ver com o esgotamento das reservas.

Nos últimos 30 anos, também de acordo com levantamentos da IEA, a oferta de energia hidrelétrica aumentou em apenas dois locais do mundo: Ásia, em particular na China, e Améri- ca Latina, em função do Brasil, país em que a hidreletricidade responde pela maior parte da produção da energia elétrica. Nesse mesmo período, os países desenvolvidos já haviam explorado todos os seus potenciais, o que fez com que o volume

produzido registrasse evolução inferior ao de outras fontes, como gás natural e as usinas nucleares. De acordo com o estu- do sobre hidreletricidade do Plano Nacional de Energia 2030, elaborado pela EPE, são notáveis as taxas de aproveitamento da França, Alemanha, Japão, Noruega, Estados Unidos e Sué- cia, em contraste com as baixas taxas observadas em países da África, Ásia e América do Sul. No Brasil o aproveitamento do potencial hidráulico é da ordem de 30%.

Mesmo nessas últimas regiões, a expansão não ocorreu na velocidade prevista. Entre outros fatores, o andamento de alguns empreendimentos foi afetado pela pressão de cará- ter ambiental contra as usinas hidrelétricas de grande porte. O principal argumento contrário à construção das hidrelétri- cas é o impacto provocado sobre o modo de vida da popula- ção, flora e fauna locais, pela formação de grandes lagos ou reservatórios, aumento do nível dos rios ou alterações em seu curso após o represamento.

Apesar das pressões, a China mantém inalterado o cronogra- ma da construção de Três Gargantas – que deverá ser a maior hidrelétrica do mundo, quando for concluída em 2009. Três Gar- gantas terá capacidade instalada de 18.200 MW (megawatts), ao superar a binacional Itaipu, no Brasil, com 14 mil MW. No Brasil, as usinas de Jirau e Santo Antônio, no rio Madeira (re- gião Norte), são pilares da expansão da oferta de energia elétri- ca prevista para o período 2006-2015. No entanto, dificuldades na obtenção do licenciamento ambiental e mudança no eixo da barragem podem provocar o atraso na construção de Jirau.

0

5

10

15

20

25

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40,

6,

16,

20,1 21,

2,3 0,

%

Carvão Petróleo Gás Natural Nuclear Hidrelétrica Outras

2006

1973

38,

24,

12,1 14,

3,

Gráfico 3.2 - Geração de energia elétrica no mundo por tipo de combustível nos anos de 1973 e 2006. Fonte: IEA, 2008.

Energia Hidráulica | Capítulo 3

O que é a energia hidrelétrica

A energia hidrelétrica é gerada pelo aproveitamento do fluxo das águas em uma usina na qual as obras civis – que envolvem tanto a construção quanto o desvio do rio e a formação do re- servatório – são tão ou mais importantes que os equipamentos instalados. Por isso, ao contrário do que ocorre com as usinas termelétricas (cujas instalações são mais simples), para a cons- trução de uma hidrelétrica é imprescindível a contratação da chamada indústria da construção pesada.

A primeira hidrelétrica do mundo foi construída no final do sé- culo XIX – quando o carvão era o principal combustível e as pesquisas sobre petróleo ainda engatinhavam – junto às que- das d’água das Cataratas do Niágara. Até então, a energia hi- dráulica da região tinha sido utilizada apenas para a produção de energia mecânica. Na mesma época, e ainda no reinado de D. Pedro II, o Brasil construiu a primeira hidrelétrica, no municí- pio de Diamantina, utilizando as águas do Ribeirão do Inferno, afluente do rio Jequitinhonha, com 0,5 MW (megawatt) de po- tência e linha de transmissão de dois quilômetros.

Em pouco mais de 100 anos, a potência instalada das unidades aumentou significativamente – chegando a 14 mil MW, como é o caso da binacional Itaipu, construída em parceria por Brasil e Paraguai e hoje a maior hidrelétrica em operação do mundo. Mas, o princípio básico de funcionamento para produção e transmissão da energia (para detalhes, ver Box 3) se mantém inalterado. O que evoluiu foram as tecnologias que permitem a obtenção de maior eficiência e confiabilidade do sistema.

As principais variáveis utilizadas na classificação de uma usina hidrelétrica são: altura da queda d’água, vazão, capacidade ou potência instalada, tipo de turbina empregada, localização, tipo de barragem e reservatório. Todos são fatores interdepen- dentes. Assim, a altura da queda d’água e a vazão dependem do local de construção e determinarão qual será a capacidade instalada - que, por sua vez, determina o tipo de turbina, barra- gem e reservatório.

Existem dois tipos de reservatórios: acumulação e fio d’água. Os primeiros, geralmente localizados na cabeceira dos rios, em locais de altas quedas d’água, dado o seu grande porte permitem o acúmulo de grande quantidade de água e funcionam como estoques a serem utilizados em períodos de estiagem. Além disso, como estão localizados a montante das demais hidrelétri- cas, regulam a vazão da água que irá fluir para elas, de forma a

permitir a operação integrada do conjunto de usinas. As unidades a fio d’água geram energia com o fluxo de água do rio, ou seja, pela vazão com mínimo ou nenhum acúmulo do recurso hídrico.

A queda d’água, no geral, é definida como de alta, baixa ou média altura. O Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétrica (Cerpch, da Universidade Federal de Itaju- bá – Unifei) considera baixa queda uma altura de até 15 metros e alta queda, superior a 150 metros. Mas não há consenso com relação a essas medidas.

A potência instalada determina se a usina é de grande ou médio porte ou uma Pequena Central Hidrelétrica (PCH). A Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) adota três classificações: Centrais Geradoras Hidrelétricas (com até 1 MW de potência instalada), Pequenas Centrais Hidrelétricas (entre 1,1 MW e 30 MW de potência instalada) e Usina Hidrelétrica de Energia (UHE, com mais de 30 MW).

O porte da usina também determina as dimensões da rede de transmissão que será necessária para levar a energia até o cen- tro de consumo (ver Capítulo 1). Quanto maior a usina, mais distante ela tende a estar dos grandes centros. Assim, exige a construção de grandes linhas de transmissão em tensões alta e extra-alta (de 230 quilovolts a 750 quilovolts) que, muitas vezes, atravessam o território de vários Estados. Já as PCHs e CGHs, ins- taladas junto a pequenas quedas d’águas, no geral abastecem

Usina hidrelétrica de Marimbondo. Fonte: Banco de imagens de Furnas.

Energia Hidráulica | Capítulo 3

de maiores produtores: República Popular da China, Canadá, Brasil, Estados Unidos, Rússia, Noruega, Índia, Japão, Venezuela e Suécia. Abaixo, a Tabela 3.3 mostra a dependência dos países com relação à hidreletricidade.

A inclusão, nessa relação, de países em desenvolvimen- to, como Brasil, Rússia, Índia e China decorre dos inves- timentos em hidreletricidade realizados nos últimos 30 anos com intensidade muito maior que no passado. Ainda

Tabela 3.2 - Maiores consumidores de energia hidrelétrica (2006 e 2007) em TWh País 2006 2007 Variação Participação 1 o^ China 435,8 482,9 10,8% 15,4% 2 o^ Brasil 348,8 371,5 6,5% 11,9% 3 o^ Canadá 355,4 368,2 3,6% 11,7% 4 o^ Estados Unidos 292,2 250,8 -14,2% 8,0% 5 o^ Rússia 175,2 179,0 2,2% 5,7% 6 o^ Noruega 119,8 135,3 12,9% 4,3% 7 o^ Índia 112,4 122,4 8,9% 3,9% 8 o^ Venezuela 82,3 83,9 1,9% 2,7% 9 o^ Japão 96,5 83,6 -13,4% 2,7% 10 o^ Suécia 61,7 66,2 7,3%- 2,1% Fonte: BP, 2008.

Tabela 3.3 - Participação da hidreletricidade na produção total de energia elétrica em 2006 País % 1 o^ Noruega 98, 2 o^ Brasil 83, 3 o^ Venezuela 72, 4 o^ Canadá 58, 5 o^ Suécia 43, 6 o^ Rússia 17, 7 o^ Índia 15, 8 o^ China 15, 9 o^ Japão 8, 10 o^ Estados Unidos 7, Outros países 14, Mundo 16, Fonte: IEA, 2008.

conforme a IEA, em 1973, a Ásia (sem considerar a China) respondeu por 4,3% da produção total de energia hidre- létrica, de 1.295 TWh (terawatts-hora) no ano. Em 2006, essa participação quase dobrou, ao atingir 7,8% de um total de 3.121 TWh. Na China, a evolução foi de 2,9% para 14%. Na América Latina, o comportamento se repete com maior intensidade: um salto de 7,2% para 21%, estimulado princi- palmente pelos investimentos realizados no Brasil, conforme o Gráfico 3.3 na página a seguir.

Hidrelétrica de Itaipu. Fonte: Banco de imagens de Itaipu.

Capítulo 3 | Energia Hidráulica

maiores potenciais tecnicamente aproveitáveis de energia hidráulica no mundo. Outras regiões com grandes potenciais são América do Norte, antiga União Soviética, Índia e Brasil. Ainda de acordo com o estudo, na Índia também há grande expansão das hidrelétricas: em 2004 estavam em construção 10 mil MW, com 28 mil MW planejados para o médio prazo.

Segundo informa o Plano Nacional de Energia 2030 com base em dados de 2004, a China é o país que mais investe em ener- gia hidrelétrica. Além de Três Gargantas, naquele ano manti- nha em construção um total de 50 mil MW de potência, para dobrar a capacidade instalada no país. Como pode ser ob- servado no Figura 3.1 abaixo, a China tem, também, um dos

2006

1973

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

OECD América Latina China Antiga União Soviética

Ásia (sem China) África Países europeus fora da OECD

Oriente Médio

Gráfico 3.3 - Participação relativa da hidreletricidade no mundo. Fonte: IEA, 2008.

Figura 3.1 - Principais potenciais hidrelétricos tecnicamente aproveitáveis no mundo. Fonte: EPE, 2007.

Brasil 10%

Congo 5%

Índia 5%

Rússia 12%

China 13%

Canadá 7%

EUA 4%

Capítulo 3 | Energia Hidráulica

Até 1. 1.201 a 6. 6.001 a 18. acima de 18.

Potencial total (MW)

Colômbia Venezuela

Suriname (^) FrancesaGuiana Guiana

Peru

Bolívia

Chile

Argentina

Paraguai

Uruguai

Capital Federal Capitais Divisão Estadual

Convenções Cartográficas

Fonte: EPE, 2008. ATLAS DE ENERGIA ELÉTRICA DO BRASIL - 3ª EDIÇÃO Escala Gráfica:

O L

N

(^0 250 500) km S

70º W 60º W 50º W 40º W

0º S

10º S

20º S

30º S

0º S

10º S

20º S

30º S

MAPA 3.1 - Potencial Hidrelétrico por Bacia Hidrográfica - 2008

Amazonas Atlântico NordesteOcidental (^) Atlântico Nordeste Oridental

Araguaia - Tocantins

Parnaíba

São Francisco

Atlântico Leste

Atlântico Sudeste

Atlântico Sul

Paraná

Paraguai

Uruguai

O (^) c (^) ea n (^) o At lâ nt i (^) c (^) o

Aproveitado

Inventário

Estimado

27%^ 1%^ 72%

19% 9% 72%

44%

40%

16%

31% 11%^ 58%

28%

64%

8%

51% 9%^ 40%

30%

32%

38%

27%

48%

25%

16%

27%

57%

78%^ 22%

85% 15% 5%

80%

15%

Observações: 1- potencial aproveitado inclui usinas existentes em dezembro de 2005 e os aproveitamentos em construção ou com concessão outorgada; 2- inventário nesta tabela indica o nível mínimo de estudo do qual foi objeto o potencial; 3- valores consideram apenas 50% da potência de aproveitamentos binacionais; 4- Foi retirado o potencial das usinas exclusivamente de ponta.

Energia Hidráulica | Capítulo 3

0 a 1.000. 1.000.001 a 5.000. 5.000.001 a 10.000. acima de 10.000.

Potência Instalada por Estado (kW)

Colômbia Venezuela

Suriname (^) FrancesaGuiana Guiana

Peru

Bolívia

Chile

Argentina

Paraguai

Uruguai

Capital Federal Capitais Divisão Estadual

Convenções Cartográficas Potência (kW)

RR

AM

AC

PA

TO

MA

PI

CE RN PB PE AL SE

BA GO

MT

RO

MS

SP

MG ES

RJ

PR

SC

RS

DF

AP

Boa Vista

Manaus

Rio Branco Porto Velho Palmas

Belém

São Luis

Teresina

Recife

Maceió Aracaju

Salvador

Brasília

Goiânia

Cuiabá

Campo Grande

Belo Horizonte Vitória

Rio de Janeiro Trópico de Capricórnio

Equador

São Paulo Curitiba

Porto Alegre

Florianópolis

Fortaleza

Natal João Pessoa

Macapá

O (^) c (^) e a n (^) o A t lâ nt i (^) c (^) o

Até 100. 100.001 a 1.000. 1.000.001 a 4.000. acima de 4.000.

Fonte: Aneel, 2008. ATLAS DE ENERGIA ELÉTRICA DO BRASIL - 3ª EDIÇÃO Escala Gráfica:

O L

N

(^0 250 500) km S

70º W 60º W 50º W 40º W

0º S

10º S

20º S

30º S

0º S

10º S

20º S

30º S

MAPA 3.2 - Potência Instalada por Estado em 2008

Energia Hidráulica | Capítulo 3

não se caracterizam pela emissão de gases causadores do efeito estufa (GEE). Mais de 70% das emissões de GEE do país estão re- lacionadas ao desmatamento e às queimadas. Tanto que a maior contribuição ao Plano Nacional de Mudanças Climáticas tende a ser a intensificação de projetos de eficiência energética – que, ao proporcionar a redução do consumo, diminuem a necessidade de novas usinas.

Os maiores entraves à expansão hidrelétrica do país são de natureza ambiental e judicial. No final de 2007 e início de 2008 uma polêmica ocorreu entre os formadores de opinião quando veio a público que a maior parte das obras estava atrasada em função da dificuldade para obtenção do licen- ciamento ambiental provocada por questionamentos na justiça, ações e liminares. Os opositores argumentam que as construções, principalmente na região da Amazônia, provo- cam impacto na vida da população, na flora e fauna locais, por interferirem no traçado natural e no volume de água dos rios. Entretanto, é necessário construir novas usinas -com impacto socioambiental mínimo - para produzir a energia suficiente para o crescimento econômico e ampliação da oferta de empregos.

Por conta das dificuldades de aceitação existentes nas co- munidades e da pressão de grupos organizados – particu- larmente Organizações Não-Governamentais (ONGs) am- bientalistas – os empreendedores têm alocado recursos para projetos de mitigação do impacto, tanto de caráter ambiental quanto social. Desenvolver os projetos de ma- neira sustentável – buscando os resultados econômicos e,

Usina hidrelétrica de Tucuruí. Fonte: Eletronorte.

simultaneamente, compensando os impactos socioambien- tais provocados pelas usinas – tem sido uma tendência na construção das hidrelétricas. Ao contrário do que aconteceu nos anos 50 e 70, é crescente o número de empreendimen- tos que procura desenvolver uma relação mais integrada e de longo prazo com as comunidades afetadas.

Mas, o entendimento entre as partes é dificultado também por indefinições de caráter legal. Apenas como exemplo, uma dessas indefinições relacionava-se, no segundo se- mestre de 2008, ao uso das terras indígenas para os apro- veitamentos energéticos. Outra, ao tratamento a ser dado aos potenciais hidrelétricos e as respectivas linhas de trans- missão frente à proposta do Plano Nacional de Áreas Pro- tegidas, em elaboração no segundo semestre de 2008, que pretendia transformar, por lei, 64% do território do país em área de preservação ambiental.

REFERÊNCIAS

Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) – disponível em www. aneel.gov.br

BP Global – disponível em www.bp.com

Empresa de Pesquisa Energética (EPE) – disponível em www.epe. gov.br

International Energy Agency (IEA) – disponível em www.iea.org