Princípios básicos das Usinas Hidrelétricas Reversíveis (UHR’s)

Usina reversível e a curva de carga

RECORDANDO: A geração local de energia elétrica na hora da ponta (2) faz com que a carga vista pelo sistema elétrico completo, incluindo geração, transmissão e distribuição, corresponda à curva formada pela parte não hachurada mais a área (1). Nesta nova situação, a capacidade solicitada ao sistema elétrico para atender a carga é diminuída, resultando em custos sistêmicos e tarifas menores, pois um sistema elétrico necessariamente tem que ser dimensionado para o pico da carga, independentemente de sua curta duração.

Classificação das Reversíveis

Centrais Puras de Acumulação: Nestas, o volume de água ascendente nas horas de bombeamento (água fluindo do reservatório de jusante ao reservatório de montante) ou de turbinagem (água fluindo do reservatório de montante ao reservatório de jusante), é praticamente o mesmo, a menos das perdas hidráulicas e por evaporação.

Centrais Mistas de Acumulação: Nestas, o reservatório a montante recebe água por meios naturais, como, por exemplo, de centrais construídas ao longo do curso de um rio. Neste caso, a energia desenvolvida pelas turbinas é maior do que a acumulada pelas bombas, ou porque a água a montante da usina não vem somente por bombeamento ou porque o desnível das turbinas é maior do que o das bombas.

Esquemas Construtivos e Tecnologias em URH’s

Basicamente, as UHRs apresentam os seguintes esquemas construtivos: Unidades de Velocidade Fixa; Unidades de Velocidade Variável; Sistemas Ternários com Turbinas e Bombas separadas.

   –  Unidades de Velocidade Fixa: no modo de geração a bomba/turbina funciona como um gerador síncrono padrão.

   –  Unidades de Velocidade Variável: têm tido aplicação crescente em UHRs, pois aumentam a eficiência do sistema, permitindo operação no melhor rendimento possível para cada situação de queda d’água e vazão da bomba e da turbina.

Existem duas alternativas para permitir a operação à velocidade variável, ambas aplicadas em diversos projetos existentes:

   –  A tecnologia do cicloconversor, utilizando um motor de indução (máquina assíncrona) com dupla alimentação (estator e rotor) e controle de corrente rotórica;

   –  A tecnologia da conexão unitária em corrente contínua, utilizando a configuração back to back da transmissão em corrente contínua.

A determinação de melhor alternativa, entre o esquema do cicloconversor e o esquema da conexão unitária, deverá incluir vários fatores, de ordem técnica e econômica, dependendo de cada caso.

   –  Sistemas Ternários com turbinas e bombas separadas

Os Sistemas Ternários são compostos basicamente por uma turbina e uma bomba acopladas no eixo de uma máquina elétrica que pode operar tanto como gerador quanto como um motor.

Uma vantagem deste esquema é possibilitar operação acionada por bomba e por turbina simultaneamente, aumentando significativamente a flexibilidade de operação. Que pode ser aumentada ainda mais por esquemas específicos que permitem ao gerador e ao motor utilizar o mesmo eixo para girar na mesma direção.

Outra vantagem é que os tempos de transição hidráulica são significantemente reduzidos, e tanto a turbina quanto a bomba podem operar em sua potência máxima constantemente, não necessitando de paradas para inversão do fluxo de água.

Para isto, no entanto, a estrutura precisa contar com duas vias de tubulação para que a água possa escoar em ambos os sentidos, o que aumenta consideravelmente os custos totais do esquema.

Proposta de implantação: Centrais Hidrelétricas Reversíveis Sazonais

O estudo Enhanced-Pumped-Storage: Combining pumped-storage in a yearly storage cycle with dams in cascade in Brazil, publicado em novembro de 2014 por Julian David HUNT, Marco A. V. FREITAS e Amaro O. P. JUNIOR, enfocou a utilização de UHRs no Brasil de outra perspectiva: como suporte para geração de energia hidráulica em cascata.

A combinação da operação das usinas em cascata com uma UHR é denominada “Armazenamento por Reversão Avançado” (ARA), e tem como princípio básico de funcionamento a inserção de uma (ou mais) UHR(s) que capta(m), via bombeamento, o volume de água excedente que seria vertido pela usina à montante, resultando em que o volume de água a ser vertido nas barragens à jusante da usina cuja água é bombeada seja menor. O ciclo completo do ARA se realizará quando a água armazenada for utilizada posteriormente em períodos críticos de armazenamento para reestabelecer o equilíbrio de geração da região contemplada.

Ao contrário das UHR convencionais que bombeiam água à noite com o excedente de energia da rede e, posteriormente durante o dia, turbinam a água gerando energia, as usinas com ARA armazenam a energia durante o período úmido e geram no período seco.

O estudo de caso exemplo apresentado foi a Bacia do rio Paraná, formado pela junção dos rios Paranaíba e Grande.

O diagrama acima mostra como seria a inserção de duas UHR nesse sistema em cascata. Uma, a UHR Catalão, ficaria instalada no rio Paranaíba e, outra, a UHR Canastra, ficaria localizada no Rio Grande. Durante o período úmido, as usinas a jusante das UHRs (UHEs Serra do Facão e Furnas, respectivamente) bombeariam água para as UHR, reduzindo a geração das usinas à jusante nos rios Paranaíba e Grande, e, consequentemente, o vertimento de água em caso de grandes acúmulos nos reservatórios. No período seco, em que o fluxo de água não é grande o suficiente para suprir a demanda de energia, a água armazenada nas UHR Catalão e Canastra seria turbinada, o que não só permitiria geração de energia nessas usinas como também cumpriria o papel de restabelecer os níveis das usinas à jusante de Serra do Facão e Furnas, evitando assim o despacho de térmicas para suprir a demanda do sistema, e aumentando consideravelmente a energia gerada durante o período seco.

As principais características e vantagens obtidas do estudo foram:

–  UHRs com pequena área alagada e baixas perdas por evaporação;

–  UHRs com eficiência em torno de 90%, bastante significativa do ponto de vista de mitigação de intermitências causadas por fontes renováveis disruptíveis;

–  Disponibilidade de energia adicional para os horários de pico;

–  Capacidade adicional requerida (nas UHRs) da ordem de metade da geração obtida nas usinas em cascata a partir de Serra do Facão e Furnas no período seco;

Diminuição dos custos de linhas de transmissão para conectar novas usinas a fio d’água na região amazônica ao grande sistema consumidor do sudeste.

As Reversíveis do ponto de vista sistêmico

Do ponto de vista sistêmico, as UHRs não somente permitem a melhor utilização da energia hídrica, como também podem ser utilizadas operando na base de um sistema de complementação energética renovável, em conjunto com as energias disruptivas (eólicas, solares), para reduzir e até eliminar a necessidade de complementação por fontes não renováveis.

Considerações finais

Diversos Estudos de Planejamento do sistema elétrico brasileiro, efetuados nas décadas de 1970 e 1980, focalizando o início do século 21, indicaram a possibilidade da construção de muitas usinas reversíveis do tipo convencional, com velocidade fixa, próximas aos grandes centros consumidores do país.

A dinâmica de evolução do sistema elétrico desde àquela época fez com que praticamente nenhum daqueles projetos se realizasse, ou por motivos técnicos ou por razões ambientais.

Mas, atualmente, o cenário de planejamento do setor energético brasileiro, se encontra afetado mais fortemente pelo efeito das mudanças climáticas, assim como orientado à busca da independência das fontes não renováveis, em busca da construção de uma matriz energética renovável em médio e longo prazo.

Neste contexto, as novas tecnologias das UHRs e a possibilidade de implantação de centrais reversíveis sazonais, aliadas às perspectivas de uso de diversas outras tecnologias avançadas ainda não disponíveis naquele passado recente, despontam como alternativas promissoras, sugerindo a necessidade de reavaliação de diversos projetos visualizados anteriormente e de identificação das oportunidades de implantação das reversíveis sazonais.

Reavaliação e identificação que já se encontram em andamento no âmbito da Empresa de Pesquisa Energética (EPE), conforme pode ser verificado no relatório ESTUDOS DE INVENTÁRIO DE USINAS REVERSÍVEIS (UHR) – METODOLOGIA E RESULTADOS PRELIMINARES PARA O ESTADO DO RIO DE JANEIRO, de 13 de fevereiro de 2019.

Terá chegado a hora e vez das Usinas Reversíveis?

Ah! Finalmente, para amenizar a aridez de assuntos eminentemente técnicos, sobre o tema da hora e da vez, atrevo-me a indicar, para quem possa se interessar, a leitura de: A hora e a vez de Augusto Matraga, conto de João Guimarães Rosa, que deu origem a duas versões cinematográficas.


 

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Lineu Belico dos Reis
LINEU BELICO DOS REIS é engenheiro eletricista, doutor em engenharia elétrica e livre docente pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, onde também é professor de Engenharia Elétrica e Engenharia Ambiental. É diretor da empresa de consultoria ALEPH – Serviços e Gestão de Energia. Atua nas áreas de energia, meio ambiente, desenvolvimento sustentável e infraestrutura, como consultor e como coordenador e docente de cursos multidisciplinares de especialização e extensão e educação à distância [USP, Poli/USP, FIA, IEE e outras instituições]. É autor dos livros Geração de Energia Elétrica (1003, 2011, 2017) e Matrizes Energéticas (2011) pela Editora Manole; organizador do livro Energia Elétrica para o desenvolvimento sustentável (2000, 2012) pela Edusp; organizador do livro Energia e Sustentabilidade (2016) e coautor dos livros Energia, recursos naturais e a prática do desenvolvimento sustentável (2005, 2009 e 2012) e Eficiência Energética em Edifícios (2012) da Editora Manole. É tradutor e coautor do livro Energia e Meio Ambiente (2011 e 2014) e consultor técnico da tradução do livro Introdução à Engenharia Ambiental (2011) da Cengage Learning. Consultor do setor energético brasileiro e internacional desde 1968 tem mais de cem artigos técnicos apresentados e publicados em congressos e eventos nacionais e internacionais e participação, em empresas de consultoria e concessionárias do setor elétrico brasileiro, no planejamento, execução e operação de diversos projetos relevantes.

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