Energia Hidráulica

Quando chove nas colinas e montanhas a água concentra-se em rios correntes que se deslocam para o mar. O movimento ou a queda da água contém energia cinética que pode ser aproveitada como fonte de energia.

 

Durante centenas de anos o movimento da água foi usado nos moinhos. A passagem da água fazia mover lemes de madeira que estão ligados a uma mó (pedra granítica redonda muito pesada). Esta, roda e mói o milho transformando-o em farinha. Actualmente a corrente da água é usada para produzir energia eléctrica.

Hidra significa água. Energia hidroeléctrica é a electricidade produzida através do movimento da água. A energia hidroeléctrica usa a energia cinética da água para produzir electricidade.

Normalmente constroem-se diques que param o curso da água acumulando-a num reservatório a que se chama barragem. Noutros casos, existem diques que não param o curso natural da água, mas obriga-a a passar pela turbina de forma a produzir electricidade.

Quando se abrem as comportas da barragem, a água presa passa pelas lâminas da turbina fazendo-a girar.

A partir do movimento de rotação da turbina o processo repete-se, ou seja, o gerador ligado á turbina transforma a energia mecânica em electricidade. Isto é o que acontece na maior parte das barragens portuguesas.

A Energia Hídrica é a energia obtida a partir da energia potencial de uma massa de água. A forma na qual ela se manifesta na natureza é nos fluxos de água, como rios e lagos e pode ser aproveitada por meio de um desnível ou queda d'água. Pode ser convertida na forma de energia mecânica (rotação de um eixo) através de turbinas hidráulicas ou moinhos de água. As turbinas por sua vez podem ser usadas como accionamento de um equipamento industrial, como um compressor, ou de um gerador eléctrico, com a finalidade de prover energia eléctrica para uma rede de energia.

A potência máxima que pode ser obtida através de um desnível pode ser calculada pelo produto: P = ρQHg

É necessário que haja um fluxo de água para que a energia seja gerada de forma contínua no tempo, por isto embora se possa usar qualquer reservatório de água, como um lago, deve haver um suprimento de água ao lago, caso contrário haverá redução do nível e com o tempo a diminuição da potência gerada (ver equação acima). As represas nada mais são que lagos artificiais, ligados a um rio, permitindo a geração contínua e constante de energia.

As represas são importantes pois caso a água fosse coleccionada directamente de um rio, na medida que houvesse uma redução da vazão do rio, como em uma época de estiagem, haveria redução da potência gerada. Assim com a formação de um lago, nas épocas de estiagem pode-se usar a água armazenada, e se este for suficientemente grande não haverá variação significativa do nível num curto período de tempo.

 

ENERGIA HIDRÁULICA:



           
É uma energia limpa quando se trata de pequenas hidroeléctricas, ou seja, aquelas que aproveitam a força da água sem prejudicar o cauce e o leito do rio.

            É o aproveitamento da energia da água que corre para o mar nos desníveis geográficos, cachoeiras, saltos e corredeiras.

            A mini-hidráulica foi muito difundida na primeira metade do século passado. A China produz 33% da sua energia por meio de mini-hidráulicas.

  No caso das grandes hidroeléctricas, ocorrem enormes inundações em áreas férteis, provocando a destruição da fauna e flora local,
a putrefacção das áreas inundadas e a migração da população.
            

A Reserva “El Nagual” tem utilizado a mini-hidráulica para o abastecimento diário de energia. O modelo existente na reserva capta a água directamente do rio transportado por tubulação até a turbina (tipo Peltron de rotação vertical), que tem autonomia para 1,5 KW.

            A Hidroenergia, aproveitamento das quedas de água, tem a energia solar como fonte de renovação. O ciclo dá-se através da evaporação da água dos rios, lagos, mares e oceanos, pela radiação solar directa e os ventos. O vapor de água mistura-se com o ar atmosférico e sobe até formar as nuvens. Boa parte dessas nuvens é transportada pelos ventos até regiões de maior altitude. Através da chuva, a água é devolvida ao solo, passando a alimentar os rios em seus fluxos descendentes. A retenção temporária da água e liberação gradativa pelo solo e vegetação tem papel importante: o de perenização dos rios, funcionando como um regulador natural e garantindo uma certa estabilidade de vazão. Secundariamente, os lagos também contribuem para esse controlo.

 

 

CARACTERÍSTICAS DA HIDROENERGIA

 

                  A hidroenergia possui vários atractivos. Entre eles, os sistemas de conversão apresentam alto rendimento - segundo Palz o rendimento na conversão de água represada em electricidade pode chegar a valores próximos de 90 %. É facilmente armazenável na forma de energia potencial através de lagos, que podem ser artificiais. O controle da potência de saída é obtido com relativa facilidade e boa eficiência. Apresenta baixo nível der ruído e vibrações e pode ter baixíssimo impacto ambiental, caso das micro-usinas. Esses factores tornam a hidroenergia uma das mais atractivas e de menor custo, inclusive ambiental. Tornando-a interessante até como forma de armazenamento em sistemas eólicos, para dar-lhes estabilidade e ou autonomia. Sua maior limitação como fonte energética está na disponibilidade, só algumas regiões dispõem de quedas de água aproveitáveis.  

 

 

PRIMEIROS REGISTROS DA UTILIZAÇÃO

 

                Depois da força muscular e dos ventos, em embarcações, a primeira fonte de energia explorada pelo homem para obter energia mecânica foi seguramente a força das quedas de água. Segundo Usher2, os primeiros usos da energia hidráulica vieram com a Nora, a roda de água horizontal com accionamento directo e a roda de água com engrenagens. Ele considerava que os três mecanismos tinham concepções distintas entre si. Ainda para Usher, apesar de não haver relatos sucintos e seguros o suficiente para se estimar datas, pode-se afirmar que o conhecimento da nora movida à água e do moinho com engrenagens já estava bastante sedimentado no final do primeiro século antes de Cristo. Quanto a roda de água horizontal, por falta de registros confiáveis, achava apenas provável que já estivesse em uso. No tratado de Filon de Bizâncio, uma mostra aproximada das realizações mecânicas do século III a.C., já figuravam três aplicações de rodas de água altas em dispositivos pequenos. Sobre as restrições dos registros de utilização de rodas de água, Usher aponta algumas considerações pelas quais não pode dar um alto grau de certeza da veracidade ou descrição exacta da concepção dos dispositivos:  Os documentos na sua maioria são incompletos e, em geral, chegaram aos dias actuais como cópias e traduções sucessivas por diversas gerações e com alternância de diversos idiomas, carregando suspeitas de terem recebido revisões em seu conteúdo. Alguns se perderam, restando apenas referências em obras posteriores, caso do tratado de Ctesibius. A imprecisão nos desenhos e descrições juntamente com os poucos registros arqueológicos, aumentam a dificuldade. Além disso, a roda de água, assim como o moinho de vento, não teve seu desenvolvimento ou concepção de forma pontual, seja em tempo ou espaço geográfico

As referências para sua utilização após o século X na Europa são bem mais fartas. Na Enciclopédia Como Funciona, os autores citam que “... o registro do Domesday Book (cadastro das terras da Inglaterra elaborado por Guilherme, o Conquistador, em 1806) mostra que, para 3000 comunidades, havia no país 5.624 moinhos d’água” .

A importância das rodas de água na revolução industrial e em todo o desenvolvimento tecnológico é destacada por diversos autores. A abundância de rios perenes na Europa, permitindo largo uso da roda de água, foi factor essencial para o desenvolvimento da indústria, principalmente a siderúrgica, um dos suportes da revolução industrial.

 

Um outro dispositivo primitivo e bem distinto, com poucas referências em relação a sua origem é o monjolo.  Utilizado para moer milho, arroz, café e amendoim, o monjolo tem seu uso no país desde a época colonial podendo ser encontrado em algumas regiões com dispoibilidade de quedas de água, com boa incidência em São Paulo e Espírito Santo. De dimensões reduzidas, feito a partir de troncos de árvores, o monjolo funciona como um balancim em movimento oscilante, repetido graças variação de equilíbrio dada alternadamente pelo enchimento da cavidade existente em uma de suas extremidades por um filete de água e posterior esvaziamento que ocorre em consequência da inclinação da haste, resultante do enchimento. Segundo o site Jangada Brasil, o monjolo teve sua origem na Ásia: 

O monjolo pode ainda ser encontrado funcionando em algumas regiões do Brasil, pelo menos como atractivo turístico em hotéis fazenda.  

 

SURGIMENTO DAS TURBINAS HIDRÁULICAS

 

 

A máquina a vapor representou grande impulso na revolução industrial. As industrias, antes quase que exclusivamente instaladas junto a quedas de água, principal força motriz até então, passaram a contar com uma nova propulsão que não dependia mais da localização geográfica podendo produzir  energia em quantidades bem maiores que as que se obtinha até então, seja com a força animal, moinhos de vento ou rodas de água. Unidades de geração de força passaram a ser possível em qualquer lugar onde houvesse disponibilidade de combustível, viabilizando novas unidades industriais, antes impensadas, seja pelo local da instalação ou pelo volume de produção.

É incontestável a grande ampliação de alcance que a máquina a vapor trouxe para a indústria, abrindo novos horizontes. Mas seu desenvolvimento não relegou o papel da roda de água a segundo plano. O fato de que as regiões que detinham a produção até então dispunham de importantes fontes de hidroenergia e nem sempre podiam dispor de carvão a preços razoáveis com facilidade, garantiu a continuidade do incentivo ao desenvolvimento dos motores hidráulicos.

Essa busca por máquinas mais eficientes resultou, por refinamento sucessivo, na turbina hidráulica por Fourneyron, em 1832. Os tipos de roda de água até então conhecidos - o vertical e o horizontal - tinham como limitações: o aproveitamento parcial do potencial de queda de água disponível, exigir grandes dimensões por unidade de potência e apresentar baixo rendimento. Em comparação com os modelos primitivos de roda de água a turbina trouxe novos parâmetros de eficiência energética, tamanho reduzido e maior capacidade de aproveitamento da energia potencial das quedas de água, chegando a níveis da quase totalidade.

Os três tipos de motores hidráulicos diferenciam-se quanto a forma de aproveitamento da força de água. Na roda alta o peso da água aprisionada nas cavidades periféricas (cubas), pelo derramamento do fio de água na parte superior, apenas de um lado, é que resulta na força de torção. Por isso esse tipo é também conhecido como motor hidráulico de nível ou por gravidade.

A roda baixa aproveita o impacto da corrente de água na sua parte inferior que fica imersa na correnteza provocando o empuxo em suas pás, que acompanham o fluxo rápido das águas.

Na turbina de acção, a água é represada e canalizada até a mesma, podendo ser aproveitado todo o potencial da altura da queda de água. A pressão da coluna d’água é transformada em energia cinética pelo escoamento através dos dutos. A acção do fluxo da água interagindo com as pás curvas da turbina numa mudança acentuada de direcção provoca a força de rotação. O melhor rendimento é alcançado quando a energia cinética na jusante, mais precisamente na saída da turbina, é quase nula. Isto é alcançado quando o deslocamento das pás tem aproximadamente a metade da velocidade do fluxo da água. Aliás, o deslocamento relativo da água em relação às pás é um diferencial do seu funcionamento em relação às rodas de água, já que naquelas as pás acompanham a velocidade da água.

O desenvolvimento das turbinas de acção trouxe novas possibilidades de exploração da hidroenergia, permitindo se produzir energia em quantidades muitas vezes superiores com instalações bem menores, além de poder explorar potencias antes adversos como as quedas de grande altura e baixa vazão. 

 

 

HIDROENERGIA E ELETRICIDADE – CASAMENTO BEM SUCEDIDO

 

A turbina hidráulica ampliou em muito os atractivos da hidroenergia, principalmente para a indústria, que passou a dispor de uma fonte barata e com oferta de grandes potências, sem requerer para isso grandes vazões de água, no caso de haver boa altura de queda.  O fato das indústrias necessitarem de serem instaladas junto às quedas de água continuou sendo um inconveniente. Além disso, em geral só se era aproveitada uma parcela muito pequena do potencial de hidroenergia disponível.

Ainda no século XVIII, com o desenvolvimento do domínio da electricidade através de descobertas e invenções como o dínamo, o alternador, a lâmpada e do motor eléctrico, passou a ser possível se converter energia mecânica em energia eléctrica, que por sua vez poderia ser convertida directamente em diversos outros tipos de energia, atendendo diversas necessidades. Os sistemas comerciais de produção de electricidade apareceram por volta de 1881, depois do desenvolvimento da lâmpada de Thomas Edison. As primeiras centrais de produção eléctrica foram desenvolvidas por Edison. Eram destinadas à iluminação, produziam corrente contínua, accionadas por máquinas a vapor, e ficavam próximo ao ponto de consumo. Mas, em pouco tempo, com o desenvolvimento dos motores,   geradores e sistemas de distribuição, o uso da electricidade se expandiu para a tração e para indústria. O desenvolvimento de sistemas de transmissão em corrente alternada e alta tensão passaram a permitir o transporte de electricidade a longas distâncias com perdas reduzidas, favorecendo o uso da hidroelectricidade.

 Já em 1897 entrou em funcionamento a Niágara Falls, hidroeléctrica com sistemas de geração e distribuição idealizados por Nikola Tesla e construídos pela Westinghouse, que se tornou o modelo predominante de geração e distribuição até os dias actuais: geração em corrente alternada e transmissão em alta tensão.

                    As hidrolétricas, sistemas de conversão da hidroenergia em energia eléctrica, representam grande rendimento e versatilidade. Nelas, todas as características de: facilidade de armazenamento, alto rendimento nas conversões e baixo custo da hidroenergia se aliam as da electricidade.

 

  1. Agua superior presa (1)
  2. Represa / Barragem (2)
  3. Filtros de água (3)
  4. Tubo de direccionamento (4)
  5. Conjunto de grupos turbina-alternador  (5)
  6. Turbina (6)
  7. Eixo (7)
  8. Gerador (8)
  9. Fios eléctricos (9)
  10. Transformadores (10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A electricidade é um vector energético - não é uma fonte primária de energia - dos mais versáteis e desejáveis: Permite conversões directas nos diversos tipos de energia – térmica, luminosa, electromagnética, química e mecânica - com excelente rendimento. È a energia requerida dos sistemas electrónicos em geral. Possibilita transporte directo à longa distância com pouca perda. E, os equipamentos para seu uso permitem excelente controlo de potência, funcionamento imediato, comando a distância e não apresentam ruído, vibração ou poluição atmosférica.

Sistemas hidroeléctricos são viáveis com grande diversidade de configuração e tamanho. As hidroeléctricas são classificadas actualmente no Brasil em dois grupos o das PCH – Pequenas Centrais Hidroeléctricas e GCH – Grandes Centrais Hidroeléctricas. A micro-usinas, divisão menor na sub-classificação das PCH’S, são encontradas comercialmente no Brasil com valores nominais a partir de 300 watts/hora.

A energia eléctrica pode ser produzida de diversas formas, sendo que a mais eficiente é a hidráulica, cujo rendimento é acima de 90%. Existem ainda outras vantagens, tais como: não é poluente, é renovável, além de permitir, através das barragens, controlar a vazão dos rios, minimizando os efeitos das enchentes.

A produção de electricidade por usinas hidroeléctricas é possível aproveitando-se um desnível acentuado em um rio, o que permite utilizar a energia associada a queda d’água e ao volume de água que ficará disponível no reservatório.

A implantação de uma usina em um rio envolve a construção de uma barragem para a formação do reservatório, da casa de força, da subestação e de linhas de transmissão.

Na barragem de uma usina temos duas estruturas importantes:

·        a tomada de água, que é a estrutura por onde a água é conduzida para o interior da casa de força, através dos condutos forçados para movimentar as turbinas;

·        o vertedouro, é a estrutura por onde pode ser escoado o excesso de água em épocas de chuvas intensas.

Na casa de força estão instalados os equipamentos electromecânicos que produzem a electricidade, que basicamente são: caixa espiral, turbina, gerador, sistema de excitação e regulador de velocidade.

A rotação da turbina movimentada pelo fluxo de água faz girar o rotor do gerador, cujo campo magnético que ao se deslocar dentro do estator do gerador o produz energia eléctrica.

Por questões de rendimento, a energia para ser transportada precisa ter sua tensão elevada para níveis que reduzam as perdas nas linhas de transmissão. A elevação da tensão é realizada pela subestação elevadora.

Assim, para que possamos usar a electricidade em nossas casas, a tensão deve ser reduzida nas subestações próximas das cidades e nos transformadores instalados na rede de distribuição.

 

Home