TRABALHO SOBRE TURBINAS HIDRÁULICAS E GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL

AUTORES: Diércio Galdino Neto e colegas.

TÓPICOS

1.       Sistema de Geração de Energia - CHESF

2.       Grandezas características das turbinas CHESF

3.       Capacidade atual de geração elétrica do Brasil

4.       PRINCIPAIS CAUSAS QUE LEVARAM AO APAGÃO EM 2001

5.        VANTAGENS E DESVANTAGENS DAS FONTES DE ENERGIA TRADICIONAIS E ALTERNATIVOS

6.       Objetivo e constituição de um sistema de regularização de velocidade de uma turbina hidráulica

7.       Tipos de regularização de turbinas hidráulicas

8.       Regulador de força centrífugo (pêndulo de Watt)

9.       Itaipu X Três Gargantas

10.   Pedra do Cavalo X Itapebi

1.       Sistema de Geração de Energia - CHESF

A Chesf possui atualmente uma capacidade de geração de energia de 10.705 megawatts, sendo 10.271 megawatts de origem hidráulica, 432 megawatts de origem termelétrica e 1,2 quilowatts de origem eólica. É a companhia com o maior parque gerador do País.

Após 50 anos, a Hidro Elétrica do São Francisco - CHESF é uma das maiores e mais importantes empresas do setor elétrico brasileiro. É responsável pela produção, transporte e comercialização de energia elétrica para oito estados nordestinos - Alagoas, Bahia, Ceará, Paraíba, Pernambuco, Piauí, Rio Grande do Norte e Sergipe. Sua área de abrangência é de 1,2 milhão de quilômetros quadrados, o equivalente a 14,3% do território brasileiro, beneficiando mais de 40 milhões de habitantes.

Desde o início, a CHESF tem um papel de extrema relevância no desenvolvimento da região Nordeste. Ela foi criada pelo Decreto-Lei 8.031 de 3 de outubro de 1945 como uma sociedade de economia mista ligada ao Ministério da Agricultura e teve suas atividades iniciadas, efetivamente, em 15 de março de 1948.

Sua criação foi baseada na carência de energia elétrica da região Nordeste, que passou a ser suprida com o aproveitamento do potencial hidrelétrico do rio São Francisco. Seu idealizador foi o engenheiro agrônomo Apolônio Sales,Ministro da Agricultura no governo Getúlio Vargas.

Na área de geração térmica, a Chesf conta com as usinas de Camaçari I, de 290 mil kW, na Bahia, e Bongi, de 142.500 kW de potência, em Pernambuco, que operam em ciclo aberto. A Camaçari I está equipada com cinco turbinas a gás de 58 kW, podendo utilizar óleo residual ou óleo combustível. A usina do Bongi, que foi montada na década de 70, conta com cinco turbinas a gás de 28.500 kW que utilizam óleo diesel.

O Governo Federal, com o apoio dos estados e em parceria com as concessionárias de energia e empresários privados já instalaram no Nordeste três usinas termelétricas: uma em Pernambuco, com 260 MW, uma na Bahia, com 270 MW e uma no Ceará, com 240 MW. As novas usinas garantem energia para o Nordeste e reduzem a dependência atual da energia gerada pelas hidrelétricas, que sofrem os efeitos dos ciclos naturais.

Resumindo, o sistema de geração da CHESF possui:

• Capacidade de geração de 45.320 Gigawatts-hora (15)

• Capacidade instalada de 10.704 Megawatts (18)

• 14 hidrelétricas;

• 2 termelétricas;

• 1 unidade eólica;

• Outras unidades menores

TABELA 1 – OUTRAS UNIDADES

Usinas Hidrelétricas	Ano	Nº de Unidades	Pot. Instalada (MW)	Total (MW)
Piloto	1949	1	2.000	2.000
Paulo Afonso I	1954	3	60.000	180.000
Curemas	1957	2	1.760	3.520
Paulo Afonso IIA	1961	3	75.000	225.000
Funil	1962	3	10.000	30.000
Araras	1967	2	2.000	4.000
Paulo Afonso IIB	1967	3	85.000	255.000
Boa Esperança	1970	2	54.000	108.000
Paulo Afonso III	1971	4	216.000	864.000
Apolônio Sales (Moxotó)	1977	4	110.000	440.000
Pedra	1978	1	23.000	23.000
Paulo Afonso IV	1979	6	410.000	2.460.000
Sobradinho	1979	6	175.000	1.050.000
Luiz Gonzaga	1988	6	250.000	1.500.000
Boa Esperança (ampliação)	1990	2	63.000	126.000
Xingó	1994	6	500.000	3.000.000
Termelétricas	Ano	Nº de Unidades	Pot. Instalada (MW)	Total (MW)
Camaçari I	1979	5	58.000	290.000
Bongi	1977	5	28.500	142.500
Eólica	Ano	Nº de Unidades	Pot. Instalada (MW)	Total (MW)
Mucuripe	1996	4	300	1.200
Outras				340
Total	-	68	-	10.704.560

2.       Grandezas características das turbinas CHESF

As principais grandezas pode ser observadas na tabela 2.

TABELA 2 – GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS DAS TURBINAS

3.       Capacidade atual de geração elétrica do Brasil

      O Brasil possui no total 1.399 empreendimentos em operação , gerando 90.793.454 kW de potência. Está prevista para os próximos anos uma adição de 34.161.189 kW na capacidade de geração do País, proveniente dos 69 empreendimentos atualmente em construção e mais 526 outorgadas.

O gráfico abaixo ilustra a geração de energia no Brasil:

Empreendimentos em Operação
Tipo	Quantidade	Potência Outorgada (kW)	Potência Fiscalizada (kW)	%
CGH	170	89.209	88.554	0,10
EOL	11	31.075	28.625	0,03
PCH	250	1.247.900	1.215.625	1,34
SOL	1	20	20	0
UHE	144	70.256.234	67.882.069	74,77
UTE	821	24.720.622	19.571.561	21,56
UTN	2	2.007.000	2.007.000	2,21
Total	1.399	98.352.060	90.793.454	100

Os valores de porcentagem são referentes a Potência Fiscalizada. A Potência Outorgada é igual a considerada no Ato de Outorga. A Potência Fiscalizada é igual a considerada a partir da operação comercial da primeira unidade geradora.

Legenda
CGH	Central Geradora Hidrelétrica
EOL	Central Geradora Eolielétrica
PCH	Pequena Central Hidrelétrica
SOL	Central Geradora Solar Fotovoltaica
UHE	Usina Hidrelétrica de Energia
UTE	Usina Termelétrica de Energia
UTN	Usina Termonuclear

4.       PRINCIPAIS CAUSAS QUE LEVARAM AO APAGÃO EM 2001

4.1.    Causas Naturais da Crise de Energia

No Brasil, 87% da eletricidade é de origem hidroelétrica e depende da boa vontade de São Pedro. O resto é produzido pelas centrais termelétricas (10%) e pelos reatores das centrais nucleares de Angra dos Reis (2%). O país tem pouco carvão, e o que tem é de má qualidade. Também não controla tecnologia de ponta para a produção de energia nuclear. O óleo combustível sempre foi muito caro. Mesmo para o país com o maior potencial hídrico do mundo, depender de uma única fonte na produção de energia é um risco enorme.

O Instituto Nacional de Meteorologia informa que na região de Furnas, por exemplo, o índice de chuvas é o pior dos últimos 20 anos e, já em março, o instituto avisava que era improvável que as chuvas de abril e maio fossem suficientes para encher os reservatórios que abastecem as hidrelétricas do Sudeste, Centro-Oeste e Nordeste.

4.2.    Causas Estruturais da Crise de Energia

A redução nos investimentos é uma importante causa. Nos últimos anos, os investimentos em geração no Brasil não acompanharam o crescimento da demanda. A Cemig, no entanto, preocupada com o abastecimento de seu mercado, deu prioridade para a ampliação de seu parque de geração. No momento, a Cemig é a única empresa a fazer grandes investimentos em geração. Cerca de 2,3 bilhões de reais estão sendo aplicados, em parceria com a iniciativa privada, na construção de 8 usinas hidrelétricas e 1 térmica. Também está trabalhando na ampliação e conversão da Usina Térmica de Igarapé, que deixa de operar com óleo para produzir energia a partir de gás natural.

4.3.    Causas Conjunturais da Crise de Energia

Outro problema, além da falta de investimentos, é a falta de integração que existe entre as diversas usinas. Enquanto as hidrelétricas do Sudeste enfrentam os níveis mais baixos de abastecimento desde que foram construídas, sobra água e energia no Sul e no Norte, onde as usinas estão, em média, com altos níveis de abastecimento. A falta de linhas de transmissão de alta capacidade impede a transmissão de energia entre estas regiões e, até por isso, excluiu, pelo menos até setembro, as duas regiões do racionamento, que será adotado no Sudeste, Centro-Oeste e Nordeste.

É importante você saber que a energia produzida em um local pode ser transportada a outro local e isso é feito por meio de linhas de transmissão que funcionam como verdadeiras estradas para a eletricidade. No Brasil, nem todas as regiões estão interligadas, o que impossibilita um tráfego contínuo entre todas as regiões, como é o caso das regiões Norte e Nordeste, que não estão ligadas às demais. Em relação à Região Sul, o problema é outro. Embora esteja ligada ao Sudeste e ao Centro-Oeste, o sistema de transmissão limita o transporte da energia excedente gerada no Sul.

4.4.    Causas Políticas da Crise de Energia

Claro que as chuvas são um fator importante em relação a crise energética, mas o governo tem uma grande parcela de responsabilidade, após muitas discussões, o governo decidiu reparar seu erro impondo que o consumidor precisa reduzir 20% da energia e ainda pagará mais caro pelo aparelho eletrônico que estiver plugado na parede.
O recado dado pelo governo que quer persuadir o Brasil com esta maneira de reparar seu erro, tem o seguinte teor: ou se corta com o apoio da população 20% do consumo com eletricidade em casa ou o governo é quem vai cortar a Luz.

Obras de infra-estrutura para o setor elétrico exigem muito investimento, coisa que o governo brasileiro não fez. O governo sentiu-se desobrigado de investir porque as empresas de energia elétrica, antes estatais, foram incluídas no plano de desestatização. Já foram privatizadas grandes empresas de geração e de distribuição de energia elétrica, como a Light, no Rio, a Eletrosul, hoje Gerasul, na região Sul, a Eletropaulo e as companhias elétricas desmembradas da Cesp, em São Paulo. Mas a iniciativa privada não fez investimentos significativos na ampliação do sistema de geração e distribuição

4.5.    Causas Econômicas da Crise de Energia

O Brasil é um país em desenvolvimento e no último ano registrou um crescimento de 4,5%. Mas o crescimento da capacidade de geração não foi proporcional. Isso significa que o Brasil precisa e gasta cada vez mais energia, mas a produção não cresce no mesmo ritmo, aumentando os riscos de faltar energia.

5.       VANTAGENS E DESVANTAGENS DAS FONTES DE ENERGIA TRADICIONAIS E ALTERNATIVAS

TRADICIONAIS	Vantagens	Desvantagens
Hidroeletricidade	Não emite poluentes. A produção é controlada. Não influencia no efeito estufa.	Inundação de grandes áreas, deslocamento de populações. A construção dessas usinas também é cara e demorada.
Carvão mineral	Domínio da tecnologia de aproveitamento. Facilidade de transporte e distribuição.	Influencia na formação da chuva ácida devido à liberação de poluentes como dióxido de carbono (CO2) e enxofre (SO2) e óxidos de nitrogênio durante a combustão.
Petróleo	Domínio da tecnologia para exploração e refino. Facilidade de transporte e distribuição.	É um recurso esgotável. Libera dióxido de carbono na atmosfera, poluindo o ambiente e colaborando para o aumento da temperatura.
Gás Natural	Pode ser utilizado nas formas gasosa e líquida; existe um grande número de reservas.	É um recurso esgotável.  A construção de gasodutos e metaneiros (navios especiais) para o transporte e distribuição requer altos investimentos. Influencia na formação de chuva ácida e na alteração climática.
Nuclear	As usinas podem ser instaladas em locais próximos aos centros de consumo. Não emite poluentes que influem sobre o efeito estufa.	Não há tecnologia para tratar o lixo nuclear. A construção dessas usinas é cara e demorada. Há riscos de contaminação nuclear.

ALTERNATIVAS	Vantagens	Desvantagens
Eólica	Grande potencial para geração de energia elétrica. Não influi no efeito estufa. Não ocupa áreas de produção agrícola.	Exige investimentos para transmissão da energia gerada. Produz poluição sonora. Interfere nas transmissões de rádio e TV.
Solar	Não é poluente. Não influi no efeito estufa. Não precisa de turbinas ou geradores para a produção de energia elétrica.	Exige investimentos iniciais de relativa monta para o seu aproveitamento.
Biomassa	É fonte renovável. Sua ação sobre o efeito estufa pode ser equilibrada: o gás carbônico liberado durante a queima é absorvido no ciclo de produção.	Exige investimentos iniciais  para o seu aproveitamento.

6.       Objetivo e constituição de um sistema de regularização de velocidade de uma turbina hidráulica

O objetivo da regularização do movimento das turbinas hidráulicas é manter a velocidade

(conseqüentemente a potência motora) constante ou dentro de um pequeno intervalo apropriado através de dispositivos automatizados, regularizando a freqüência da corrente elétrica gerada pela turbina. Isso reestabelecer o regime de equilíbrio dinâmico médio quando a potência útil sofrer variação. Essa variação é uma conseqüência da demanda da rede consumidora de energia elétrica para a qual o alternador acionado pela turbina fornece energia. As variações podem chegar até a situação extrema de rejeição total da carga elétrica, motivada por problema na rede, o que conduz o desligamento dos disjuntores do banco de transformadores alimentados pelo alternador acoplado à turbina (ou por grupo de turbo-geradores).

Este sistema de regularização é constituído por:

·         Taquímetro (regulador) - dispositivo automático responsável por receptar o sinal (aparecimento de uma aceleração angular) do desequilíbrio dinâmico e enviar o comunicado ao órgão operador.

·         Órgão operador - atua na admissão da água na turbina hidráulica após receber o sinal enviado pelo taquímetro. O órgão operador nas turbinas Pelton é o bocal injetor, já nas turbinas Francis e Kaplan é o distribuidor de pás.

·         Sistema de transmissão - transmitir a deformação do pêndulo (ou regulador eletrônico) ao distribuidor.

·         Compensador - faz a velocidade retornar ao mesmo valor.

·         Aparelho de estatismo - distribui a carga entre diversos grupos de turbinas em paralelo.

7.       Tipos de regularização de turbinas hidráulicas

Os reguladores de turbinas hidráulicas estão divididos basicamente em dois grupos: o de ação direta e o de ação indireta. A regularização por ação direta somente foi empregada em turbinas de pequeno porte como as Benoit-Fourneyron, usadas nos anos de 1920 a 1926. No que tange o de ação indireta tem-se os reguladores automáticos mecânicos que estão, por sua vez, divididos em três grupos:

·         Reguladores de força centrífuga, taquímetros ou cônicos, que é o clássico pêndulo de Watt : detalhado no quesito seguinte.

·         Reguladores de inércia acelerométricos ou planos: nestes aparelhos a deformação é obtida pela ação da força de inércia de suas peças. As forças centrífugas geradas pela rotação do aparelho agem simetricamente sobre elementos rígidos que resistem as suas ações sem deformação aparente.

·         Regulador de Vollet - Riva. Possui dois tipos de funcionamento:

·         Funcionamento acelerométrico: quando ocorre desequilíbrio dinâmico, surge no eixo uma aceleração angular. Um volante fixado ao eixo, devido a sua inércia, tende a girar com a velocidade inicial, atrasando-se em relação ao eixo. Assim, havendo aceleração no eixo, o distribuidor é acionado de modo a reduzir a admissão.

·         Funcionamento taquimétrico: funciona basicamente pela ação da força centrifuga, que age sobre o mecanismo de transmissão que comanda o servo mecanismo, fechando o distribuidor.

8.       Regulador de força centrífugo (pêndulo de Watt)

O pêndulo de Watt é constituído de um eixo vertical onde estão articuladas duas hastes que suportam esferas nas suas extremidades livres, formando a parte principal da máquina. O movimento de rotação do eixo é decorrente da ação da força centrífuga K que age sobre as esferas. Duas bielas b ligam as hastes a uma peça L, denominada luva, que pode deslizar ao longo do eixo.

Como cada esfera está submetida à ação da força K, origina-se um conjugado K.d que tende a afastar a esfera. Isto provoca deformação do regulador e elevação da luva. A extremidade do órgão de transmissão do mecanismo de regularização fica alojado em uma ranhura existente na luva, daí este movimento é aproveitado para comandar o órgão de distribuição da máquina. A ação do peso P’ de cada esfera dá origem a um conjugado P’.d’, de sentido contrário ao de K.d, tendendo a manter a esfera na vertical de sua articulação.

Para cada valor da velocidade angular que o pêndulo fica submetido, haverá uma posição de equilíbrio da luva em conseqüência da igualdade dos movimentos. Pode-se então dizer que para cada valor da velocidade da máquina o pêndulo assume uma configuração própria, ou seja, para cada valor da velocidade a luva ocupará uma posição certa e determinada.

Em máquinas de grandes velocidades há a necessidade de colocar-se molas de grande rigidez ligando as hastes do pêndulo para aumentar a resistência à força centrífuga, diminuindo o deslocamento da luva para uma mesma variação de velocidade.

Figura 1: Pêndulo de Watt

9.       Itaipu X Três Gargantas

10.   Pedra do Cavalo X Itapebi

PEDRA DO CAVALO

POTÊNCIA E ENERGIA

Potência instalada                                                          160,0 MW

Energia assegurada                                                       56,4 MW Médios

Potência assegurada                                                     147,2 MW

RESERVATÓRIO

Área inundada                                                                 186,0 Km²

Vol. na máx. norm.(El 114,5 m)                                    3,134 x 10m³

BARRAGEM (existente)

Tipo                                                                                    Enrocamento com núcleo de

                                                                                             argila

Comprimento da crista                                                  470,0 m

Altura máxima                                                                  142,0 m

VERTEDOURO (existente)

Tipo                                                                                    Controlado

Capacidade                                                                      12.948 m 3/s

Número de com portas                                                  5 (tipo segmento)

Dimensões                                                                        15,0 m x 18,0 m

Condutos forçados

Seção                                                                                 Circular

Quantidade                                                                       2

Dimensões                                                                        138,0 m x 4,5

Turbinas

Tipo                                                                                    Francis, eixo vertical

Potência nominal                                                            82.650 kW

Queda líquida de projeto                                               105 m

USINA HIDRELÉTRICA ITAPEBI

Dados Técnicos

Potência                                                                             450 MW

Local do Projeto                                                                Rio Jequitinhonha - Estado da

                                                                                             Bahia, Brasil

Objetivo do Projeto                                                            Geração de Energia Elétrica

Ano de Construção                                                          Junho/1999 - Janeiro/2003

Captação e Reservatório

Área de Captação                                                             68.100 km²

Vazão Média Anual                                                          406 m³/s

Área do Reservatório - NA Normal                                61,58 km²

Volume do Reservatório - NA Normal                           1.634 x106 m³

Vertedouro

Tipo                                                                                     Superfície com Salto de Esqui

Capacidade de Descarga                                                20.915 m³/s

Número de comportas                                                      6

Casa de Força

Tipo                                                                                     Abrigada

Número de Unidades                                                       3

Barragem Principal

Tipo                                                                                     EFC

Volume                                                                               4.000.000 m³

Altura Máxima                                                                   106 m

Desvio do Rio para Construção

Tipo                                                                                     Túneis

Número de unidades                                                       3