Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Aula energias renováveis

Hidrelétrica- Desenvolvimento e uso- As usinas hidrelétricas- Turbinas- Sistemas de grande porte

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Driving the hydropower

Hidrelétrica

• Vento

• Maré

• Queda na temperatura da água

• Diferença na radiação Solar

• Diferenças na salinidade

Condensação

Precipitação sobre o mar

Condensação

transporte de água na atmosfera

Precipitação sobre o solo

Evaporação do mar

Evaporação do solo

Vazão de agua pluvial no mar por rios

Vazão de agua pluvial no mar por lençol freático

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Desenvolvimento da Usina Hidrelétrica

Sub axial Aprox. 200 a.C.Função: operação de direta de moinhosPrincipalmente energia cinética (velocidade da água)

Roda d'água submersaImpério RomanoFunção: operação de direta de moinhos

Roda d'água suspensaIntensificação de uso a partir da idade médiaFunção: variável, de moinhos de farinha a teares.Principalmente energia potencial (carregamento vertical da água)

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Roda d'água submersa

Getreidemühle Gut Holm, Buchholz-Holm

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Roda d'água suspensa

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Potencial Hidráulico Brasileiro

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Localização das Usinas Hidrelétricas Brasileiras

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Aula energias renováveis

Hidrelétrica- Desenvolvimento e uso- As usinas hidrelétricas- Turbinas- Sistemas de grande porte

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina de água corrente

- Baixa queda d'água- Represamento/barragem de pequeno porte- Necessidade de grande quantidade d'água- A corrente do rio (montante - jusante) é responsável em movimentar o fluxo d'água que passa pela turbina- A turbina movimenta o rotor do gerador� Energia Elétrica

Vantagens:Baixo custo de manutenção e possiblidade de operação contínua

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina de água corrente – Princípio de funcionamento

Turbina Kaplan Vertical

Nível mais alto da água

H = ha - hb

ha

hb

Potencial aproveitável (máx.): PW = ρW ·g ·Q ·H

Potencial elétrico: Pel = (1-fz) · ηGerador · ηTurbina · ρW ·g ·Q ·Hfz … 3% até 10%

Eficiência: ηNenn = Pel , Nenn / (ρW ·g ·Q ·H)

Vazão Q [m³/s]

Nível mais baixo da água

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Esquema - Usina de água corrente

Usina de água corrente

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina de água correntee

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina de água corrente

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina de água corrente

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina de água corrente

Turbinas

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina hidrelétrica reversível – armazenamento natural e bombeamento

- Lago artificial ou natural- Grande diferença de altura- A água é direcionado para as turbinas

através de tubos- Armazenamento de energia para uso durante os picos de demanda

- Uso de bombas- Aumento de armazenamento com barragens

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina hidrelétrica reversível – armazenamento natural

Armazenamento: de acordo com o regime dos rios/lagos, precipitação e derretimento de neve em países de clima frio.

Represamento da água: troca de energia potencial para cinética.

Características típicas (há possibilidade de variação):� Barragens de grande altura� Equipamentos de média e alta pressão (quedas de até 2000m)� Turbina tipo Francis, a partir de 350 m de queda turbina tipo Pelton.� Potência média e alta� Usina indicada para cobrir horários de picos de energia, mas com grandes reservatórios

pode ocorrer o fornecimento regular.� Aplicação variada: controle de segurança para transito de navios, proteção contra

enchentes.� Fornecimento de água potável, sistemas de irrigação agrícola, lagos para lazer.

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina hidrelétrica reversível – armazenamento natural

Exemplo: Usina de Walchensee – Bavária / Alemanha

• Queda de 200 m entre os lagos Walchen e Kochel• Capacidade Instalada de 124 MW• 4 x turbinas tipo Francis (trifásico) e 4x turbinas

tipo Pelton (monofásico para locomotivas elétricas).

• Geração anual de 320 milhões de kWh (coeficiente de uso: 30%)

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina hidrelétrica reversível – armazenamento por bombeamento

Características:� Armazenamento de eletricidade com

eficiência de 75%� Potência total em 60-100 segundos� Equipamentos de alta pressão, quedas

maiores que 100 m� Turbina Francis, opera inversamente para

auxiliar bombeamento� Media e alta potência� Cobre picos de demanda de energia ou

usina de reserva

Exemplo: Usina hidrelétrica reversível de bombeamento Herdecke� Queda de 165 m entre o reservatório de

armazenamento e o lago Hengstey� Capacidade inssalada de 150 MW� 1x turbina Francis (Instalação antiga,

turbina e bomba operam separadas)

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina hidrelétrica reversível – armazenamento por bombeamento

Quantidade de energia armazenada:

E = V · ρW ·g ·hPotencial · η Tubos, Turbinas, Geradores

Potencial aproveitável:

P = V · ρW ·g ·hPotencial · η Tubos, Turbinas, Geradores

.

Reservatório superior

Reservatório inferior

Gerador

Turbina

Reservatório

Dependendo da altura é utilizada a turbina Francis ou Pelton

Princípio de Funcionamento

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina hidrelétrica reversível – armazenamento por bombeamento

Usina de Goldisthal /Alemanha (1060 MW)

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina hidrelétrica reversível – armazenamento por bombeamento

Eficiência do processo

Perdas (%)

Tubulação 1,0

Turbina 7,5

Gerador 1,8

Transformador 0,5

Perdas (%)

0,5 Tubulação

10,0 Bomba

3,0 Motor

0,5 Transformador

77%

Energia Recuperada

100%

Energia Fornecida

Fonte: LTT (Raabe 1989)

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Parte 2

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usinas Oceânicas

Usinas Maremotriz• Uso da amplitude das marés em formações costeiras especiais

(20 m com represamento e 1 m em mar aberto)• Potencial teórico mundial de até 300 TWh/a

Usinas oceânicas térmicas• Uso do gradiente de temperatura entre a superfície da água e

as águas mais profundidades (20 K entre a superfície quente e a superfície mais fria a 100 m de profundidade)

• Projetos piloto no Japão (100 kW) e EUA (1.000 kW) com eficiência de 1 - 3%

Usinas oceânicas elétricas• Uso de energia cinética da corrente do mar• Protótipo na costa de Cornwalls com 350 kW• Potência instalada na Europa de 12 GW

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina Ondomotriz

• Choque das ondas contra a estrutura de concreto

• Câmera se enche de água � O ar é comprimido para cima

• Com o recua da onda a diferença de pressão é novamente utilizada

Turbina Eólica Gerador

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina Ondomotriz

AR

ÁGUA ÁGUA

AR

Projeto de Islay

- Uso da energia potencial e cinética das ondas.

- Grande variedade de projetos, mais de 300 patentes no mundo.

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina Ondomotriz

- Uso da energia potencial e cinética das ondas.

- Grande variedade de projetos, mais de 300 patentes no mundo.

Instalações pequenas: economicamente viável para consumidores distantes dos grandes centros (plataformas, ilhas e etc.).

Instalações médias e grandes (poucos protótipos):- Ilha Islay/Escócia: média de 35 kW, em tempestades 75 kW.- Bergen/Noruega 350-500 kW (problemas técnicos frequentes).

Problemas frequentes:- Ausência de técnicas construtivas para instalações de grande porte.- Corrosão.- Proliferação de algas.

Potencial mundial estimado: - Total 30.000 TWh/a (Behrens/Miller)- Potencial médio de 14 kW/m (Meliss)

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Princípio da Usina Ondomotriz

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Princípio da Usina Maremotriz

- Fecha-se o fluxo de água quando o nível do mar e da baía se equiparam

- O fluxo de água é liberado quando a diferença de altura entre os níveis da água for suficiente para operar a turbina de modo eficiente.

Maré Baixa

Baía Mar

Baía Mar

Maré Alta

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina Maremotriz Severn Barrage – Sul da Inglatera (projeto)

• 16 km de barragens• 216 Turbinas• 8500 MW de potência• 5% do consumo britânico de eletricidade• Amplitude das marés de até 15 m• Aprox.19 Bilhões €• Impacto ambiental imprevisível

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina Maremotriz – Rio Rance / Saint-Malo (França).

St. Malo, Bretagne

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Energia de Correntes Marinhas

Locais com potencial (UK)

Lynmouth, Devon (UK)300 kW

Parâmetros para instalação:

• Velocidade média mínima de 2,5 m/s

• Profundidade entre 20-30 m

• Diâmetro 15-20 m

• Rotor 10-20 RPM (10x mais lenta que um navio)

• Impacto ambiental de pequena escala

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Energia de Correntes Marinhas

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Energia de Correntes Marinhas - Manutenção

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Energia de Correntes Marinhas

Exemplo norte-americanoEast River, New York (EUA)

UN

Queensboro BridgeQueens

16kW

3m de diâmetro

Manhattan

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Aula energias renováveis

Hidrelétrica- Desenvolvimento e uso- As usinas hidrelétricas- Turbinas- Sistemas de grande porte

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Hidrelétrica – Convertendo Energias

Turbina Pelton(Turbina tangencial)

Turbina Francis(Turbina radial)

Turbina Kaplan(Turbina axial)

Turbina de Fluxo Cruzado(BR:Michel-Bianki)

Sub axial Submersa Parcialmente Submersa

Suspensa

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Principais Tipos de Turbina

Francis Pelton Kaplan

Entrada de água

Saída de água

RotorCarcaça

InjetorEntrada de água Saída de água

RotorCarcaça Eixo da turbina

Entrada de água

Saída de água

Entrada de águaPás do rotor axial

Cubo do rotor

Difusor com pás ajustáveis

Difusor com pás ajustáveis

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Turbina Kaplan

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Exemplo de Instalação – Turbina Francis

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Fabricação da Turbina Francis

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Turbina Francis em corte com pás ajustáveis (amarelo)

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Conjunto Turbina Gerador em Corte

GERADOR

Estator

Rotor Eixo

TURBINA

Entrada de águaPalhetas

diretrizes

Pás Reguláveis

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Turbina Pelton com Injetores

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Turbina Pelton

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Aula energias renováveis

Hidrelétrica- Desenvolvimento e uso- As usinas hidrelétricas- Turbinas- Sistemas de grande porte

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

• Período de construção: 1993 - 2013• Nível máximo da água: 180,40 m• Nível normal: 175 m• Capacidade da barragem: 22,1 bilhões m³• Área inundada: 1.085 km² • Capacidade Instalada: 18,2 GW • Número de turbinas: 26• Tipo de Turbina: Francis• Cidades inundadas: 13• Fábricas inundadas: 657• População deslocada: aprox. 1,3 - 2 Milhões

Hidrelétrica de Três Gargantas na China – Dados Técnicos

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Hidrelétrica de Três Gargantas na China

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Hidrelétrica de Três Gargantas na China

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Hidrelétrica de Três Gargantas na China - Construção

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Hidrelétrica de Três Gargantas na China - Maquete

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Hidrelétrica de Três Gargantas na China – Corte Esquemático

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

• Construção: 1975 bis 1982• Altura da Barragem: 196 m• Nível máximo da água: 190 m• Nível normal: 100 m• Capacidade de armazenamento de água: 29.000.000 m³• Área alagada: mínima 1.305 km²; normal 1.350 km²; máxima 1.460 km² • Comprimento: 170 km• Capacidade Instalada: 12.600 MW (até 2004); 14.000 MW (desde 2005)• Turbine: Francis• População deslocada: 40.000

Usina de Itaipu – Dados Técnicos

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina de Itaipu

Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica

Usina de Itaipu