Introducao a Energia Mini-Hidrica

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UNIVERSIDADE TCNICA DE LISBOA INSTITUTO SUPERIOR TCNICO

DEEC / Seco de Energia

Energias Renovveis e Produo Descentralizada

INTRODUO ENERGIA MINI-HDRICA

Rui M.G. Castro

Dezembro de 2002 (edio 1)

OUTROS VOLUMES DISPONVEIS

Introduo Energia Fotovoltaica, Novembro 2002 (edio 0) Introduo Energia Elica, Janeiro 2003 (edio 1) Condies Tcnicas e Econmicas da Produo em Regime Especial Renovvel, Fevereiro 2003 (edio 2)

Rui Castro [email protected] http://enerp4.ist.utl.pt/ruicastro

NDICE

1.

INTRODUOBreve Perspectiva Histrica Classificaes Situao em Portugal Custos Estimados

11 3 5 6

1.1. 1.2. 1.3. 1.4.

2.

INTRODUO ANLISE HIDROLGICACurva de Durao de Caudais Correlao Caudal Precipitao

99 12

2.1. 2.2.

3. 4.

INTRODUO AO PROJECTO DETALHADO METODOLOGIA NA FASE DE ANTEPROJECTOPotncia a Instalar Escolha da Turbina Escolha do Gerador Energia Elctrica Produtvel Dois Grupos Turbina/Gerador

15 1818 19 22 25 28

4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5.

5. 6.

ANEXO BIBLIOGRAFIAWWW Tradicional

32 3434 34

6.1. 6.2.

Introduo

1

1.1.1.

INTRODUOBREVE PERSPECTIVA HISTRICAEntre os finais do sculo XIX e os princpios do sculo XX, instalaram-se

muitas centrais hidroelctricas com potncias compreendidas entre algumas dezenas e poucos milhares de quilowatts, precisamente o domnio de potncias que hoje levaria a classific-las como pequenas centrais hidroelctricas, ou, na linguagem corrente, centrais mini-hdricas (CMH). Os progressos entretanto verificados na transmisso da energia elctrica permitiram que os pases alta e medianamente industrializados passassem a estar cobertos por redes elctricas densamente malhadas. Esta circunstncia, aliada ao facto de as reservas de combustveis fsseis de fcil extraco serem consideradas como praticamente inesgotveis, e serem em nmero aprecivel os locais com condies favorveis instalao de grandes aproveitamentos hidroelctricos, levou a que a produo de energia elctrica se concentrasse em poucas centrais de elevada potncia instalada, beneficiando da inerente economia de escala. Como consequncia da evoluo registada, tanto o investimento unitrio, como as despesas de operao e manuteno por unidade de energia produzida nos aproveitamentos hidroelctricos de baixa potncia, sofreram agravamentos incomportveis, o que levou sua progressiva degradao e mesmo ao encerramento de muitas unidades. A partir dos choques petrolferos de 1973 e, principalmente, de 1981, o quadro de referncia mudou substancialmente: aumentou o valor da energia, os melhores locais para instalao de centrais hidroelctricas de grande porte j estavam tomados, os progressos verificados na automao permitiram reduzir drasticamente as despesas de explorao. nesta perspectiva que se insere o renovado interesse pelas CMH, verificado a partir da dcada de oitenta.

Introduo

2

De entre as fontes de energia elctrica descentralizadas, a mini-hdrica era aquela que reunia as condies para um desenvolvimento mais rpido. Por um lado, a tecnologia nacional podia dar um contributo maior, porque beneficiava da experincia e conhecimento acumulados na rea dos recursos hidroenergticos1. Por outro lado, o recurso hidrolgico portugus estava razoavelmente bem estudado, fruto de campanhas de medio, conduzidas ao longo de vrios anos, nos principais cursos de gua. A publicao do Decreto-Lei n.189/88, a primeira legislao orientada para a promoo da produo de energia elctrica a partir de recursos renovveis, combustveis nacionais ou resduos industriais, agrcolas ou urbanos, bem como da cogerao, representou um marco fundamental na histria da produo independente em Portugal. O resultado da publicao da nova legislao foi rpido e ultrapassou o que os seus promotores esperavam, revelando um potencial hidroelctrico muito rendvel que, na prtica, estava adormecido. Para financiar os projectos que faziam uso das chamadas energias renovveis, as autoridades recorreram ao programa comunitrio VALOREN, cujo principal objectivo era encorajar a utilizao de recursos energticos endgenos nas regies menos favorecidas da ento CEE2. Foi como fontes de produo descentralizada que se desenvolveu a instalao de CMH, entregando rede pblica a maior parcela de energia que era possvel extrair da gua. Uma das razes para isso, prendeu-se com o facto de as CMH constiturem fontes de energia regular, pelo que no era de esperar que a sua interligao com o sistema electroprodutor nacional introduzisse perturbaes no funcionamento deste; outra razo pode ser encontrada na baixa utilizao anual e na precria garantia de fornecimento de energia, caractersticas do funcionamento das CMH em rede isolada.

Em meados da dcada de oitenta (1985) estavam instalados em Portugal cerca de 3000 MW de potncia hidroelctrica. 2 Na altura, verificou-se a apresentao de um grande nmero de projectos (em parte no concretizados) correspondendo a um investimento privado de 150 milhes de contos e a uma potncia instalada de mais de 400 MW, designadamente nos domnios da produo mini-hdrica e da cogerao.1

Introduo

3

Os projectistas cedo se aperceberam que uma CMH no devia ser concebida como uma cpia em escala reduzida de uma instalao de elevada potncia, concluindo que o seu projecto requeria um grau aprecivel de inovao, a fim de reduzir os custos, garantindo, contudo, uma fiabilidade adequada e simplicidade operativa. No domnio da engenharia civil os esforos foram dirigidos para a concepo de sistemas compactos e simples, tanto quanto possvel pr-fabricados, de modo a reduzir os trabalhos no local. A engenharia mecnica orientou-se para o projecto de turbinas normalizadas, com rendimentos aceitveis em diversas condies de funcionamento, tendo em ateno que era no domnio das quedas baixas que as oportunidades se afiguravam mais prometedoras. No mbito da engenharia electrotcnica as contribuies repartiram-se, essencialmente, em duas reas: nos conversores mecano-elctricos, com especial relevo para a utilizao da mquina assncrona como gerador, e na automatizao total das instalaes, que permite a sua explorao em modo abandonado.

1.2.

CLASSIFICAESA designao central mini-hdrica generalizou-se em Portugal para designar

os aproveitamentos hidroelctricos de potncia inferior a 10 MW. Este limite geralmente usado internacionalmente como fronteira de separao entre as pequenas e as grandes centrais hidroelctricas. As primeiras, devido ao seu impacto ambiental diminuto, so consideradas centrais renovveis; as segundas, embora usem um recurso renovvel, produzem efeitos no desprezveis sobre o ambiente, pelo que a sua classificao como centrais renovveis problemtica. Para as centrais mini-hdricas, a Unio Internacional dos Produtores e Distribuidores de Energia Elctrica UNIPEDE recomenda a classificao em funo da potncia instalada (ver Tabela 1). No que diz respeito altura de queda, a classificao habitual a que se indica na Tabela 2.

Introduo Tabela 1: Classificao das centrais mini-hdricas quanto potncia.

4

Designao Pequena central hidroelctrica Mini central hidroelctrica Micro central hidroelctrica

Pinst (MW) < 10 150

Outra classificao diz respeito existncia ou no de capacidade de armazenamento. As centrais a fio de gua no tm capacidade de regularizar o caudal, pelo que o caudal utilizvel o caudal instantneo do rio. Ao contrrio, as centrais com regularizao possuem uma albufeira que lhes permite adaptar o caudal afluente. As CMH so, regra geral, centrais a fio de gua. Na Figura 1 apresentam-se os principais elementos que constituem uma central mini-hdrica, com a seguinte legenda: Albufeira (intake) e respectivo aude Canal de aduo (feeder canal) Cmara de carga (fore bay) Conduta forada (penstock) Edifcio da central (power house)

Introduo

5

Restituio (tail race) Caudal ecolgico (reserve flow) Escada de peixe (fish ladder)

Figura 1: Principais elementos de uma central mini-hdrica [ECO].

1.3.

SITUAO EM PORTUGALEm relao situao em Portugal, as ltimas estatsticas nacionais conhe-

cidas [Frum] apontam para os seguintes valores em termos da potncia total instalada em CMH (final de 2001): CMH entradas em funcionamento aps a publicao do DL 189/88: 44 centrais, a que corresponde a potncia instalada de 170 MW. Aproveitamentos titulados por antigas concesses: 34 centrais, perfazendo a potncia instalada de 30 MW. Instalaes do Sistema Elctrico No Vinculado (SENV)3: 20 centrais, que totalizam 56 MW.

3

Neste subsistema do Sistema Elctrico Nacional, produtores no vinculados e clientes elegveis estabelecem contratos bilaterais, estando o acesso s redes garantido na legislao.

Introduo

6

Em concluso, existiam no final de 2001 em Portugal 98 CMH, num total de 256 MW, sendo 78 (200 MW) centrais de Produo em Regime Especial (PRE)4, e 20 (56 MW) centrais do SENV. Ainda segundo a mesma fonte, a produo anual estimada para as centrais de PRE de cerca de 650 GWh/ano, sendo de 165 GWh/ano o valor correspondente s centrais do SENV. Verifica-se que, desde 1994, a taxa de execuo de novos aproveitamentos tem sido extremamente baixa. Como principais causas para esta situao tm sido apontadas as dificuldades de obteno de novos licenciamentos, centradas principalmente nos procedimentos administrativos inerentes ao processo de utilizao da gua e a aplicao do regime jurdico de Reserva Ecolgica Nacional (REN), obrigando ao reconhecimento de interesse pblico municipal. No final de 2002, observa-se que no s o licenciamento de novas CMH est praticamente parado, como existem dificuldades de legalizao dos aproveitamentos titulados por antigas concesses.

1.4.

CUSTOS ESTIMADOSNaturalmente que a estimao de custos associados instalao de CMH

uma tarefa complexa, dependendo, entre outros factores, da potncia instalada, da altura de queda e da ligao rede receptora. Os dados conhecidos permitem situar o investimento total numa gama de variao entre 1000 /kW e 3000 /kW, sendo o limite inferior correspondente a mdias e altas quedas e potncias superiores a 1000 kW e o limite superior correspondente a baixas quedas e potncias inferiores a 250 kW. O custo mdio anual actualizado (/kWh) dado por:

4

Produtores independentes com regime jurdico especfico, que produzem energia elctrica a partir quer de aproveitamentos hidroelctricos com potncia instalada inferior a 10 MVA, quer de energias renovveis com excepo da energia hidrulica, quer de instalaes de cogerao.

Introduo

7

c= em que:

(i + c d )cpha

equao 1

i inverso do factor presente da anuidade, dado por

(1 + a)n a , seni= (1 + a)n 1

do a a taxa de actualizao e n o nmero de anos de vida til da instalao cp custo de investimento por kW instalado (/kW) ha utilizao anual da potncia instalada (h) cd custos diversos, onde se incluem, como parcela dominante, os encargos de O&M em percentagem do investimento total Na Figura 2 ilustra-se a curva de variao do custo mdio anual da unidade de energia produzida em funo da utilizao anual da potncia instalada, parametrizada em funo do investimento por unidade de potncia instalada. O perodo de vida til da instalao foi tomado igual a 30 anos. Para os encargos de O&M tomou-se o valor de 1% do investimento total. A taxa de actualizao considerada foi de 7%. De acordo com a legislao em vigor (DL 339-C/2001) que estabelece a frmula de clculo da remunerao da energia entregue rede pblica pelos PRE que usam recursos renovveis pode estimar-se que actualmente (final de 2002) cada unidade de energia com origem em CMH injectada na rede pblica paga a um valor que se situar em torno de 6 a 7 cntimos [Energia2001].

Introduo

8

15 cp = 3000 /kW 12

Cntimos de Euro / kWh

9 cp = 2000 /kW 6

cp = 1000 /kW 3

0 2000

2500

3000

3500

4000

Utilizao anual da potncia instalada (h)

Figura 2: Custo mdio anual da unidade de energia em funo da utilizao anual da potncia instalada, parametrizado em funo do investimento por kW instalado; a = 7%, n = 30 anos, cd = 1%cp.

Por forma a garantir a adequada rentabilidade econmica, a experincia mostra que as CMH em operao apresentam valores da utilizao anual da potncia instalada que se situam, tipicamente, entre as 2000 a 2500 (cenrios secos) e as 3500 a 4000 horas (cenrios hmidos); , por isso, aceitvel tomar 3000 horas como valor mdio. A Figura 2 permite concluir que, em primeira aproximao e para as condies mdias enunciadas, a viabilidade econmica da instalao s ser assegurada se o investimento unitrio se situar abaixo de 2000 /kW, o que afasta as instalaes com quedas e potncias baixas.

Introduo Anlise Hidrolgica

9

2.

INTRODUO ANLISE HIDROLGICAO estudo hidrolgico em que se fundamenta um aproveitamento hidroelc-

trico tem de ser efectuado por especialistas em hidrologia. Nesta medida, o texto que se segue destina-se apenas a fornecer ao engenheiro electrotcnico a lgica bsica que orienta a estimao de caudais.

2.1.

CURVA DE DURAO DE CAUDAISO caudal que passa por uma seco de um rio uma varivel aleatria, com

repartio no uniforme ao longo do ano. Assim, os estudos hidrolgicos s podero fornecer probabilidades de ocorrncia dos caudais afluentes a uma determinada seco do curso de gua (geralmente, valores mdios dirios), ao longo do ano. O objectivo primeiro da anlise hidrolgica destinada a suportar os estudos de viabilidade dos aproveitamentos hidroelctricos , portanto, a obteno da chamada curva mdia de durao dos caudais mdios dirios5. Esta curva uma curva mdia suportada por observaes realizadas ao longo de vrios anos; o seu significado ser tanto maior, quanto maior for o perodo de tempo considerado para a sua construo. geralmente aceite que um perodo de trinta a quarenta anos o ideal para tomar como significativa a curva mdia obtida. Para alguns rios portugueses conhecem-se sries de medies de caudais, feitas em estaes hidromtricas durante o tempo suficiente para que as respectivas curvas mdias de durao obtidas sejam consideradas significativa. Na Figura 3 apresenta-se uma srie mdia cronolgica de caudais mdios dirios numa seco de um curso de gua, obtida a partir de observaes efectuadas durante um nmero significativo de anos.

5

Normalmente usa-se a designao abreviada de "curva de durao de caudais" para referir a curva mdia de durao de caudais mdios dirios. Na sequncia, adopta-se, tambm, esta simplificao de linguagem.

Introduo Anlise Hidrolgica

10

30

25

20 Caudal (m3/s)

15

10

5

0 0

Figura 3: Srie mdia cronolgica de caudais mdios dirios.

A curva de durao de caudais obtm-se por ordenao monotonamente decrescente dos valores da srie cronolgica referida. Na Figura 4 apresenta-se a curva de durao de caudais correspondente srie cronolgica da Figura 3. Aceitando que a curva representada na Figura 4 caracteriza com rigor o caudal afluente a uma seco do curso de gua, ento cada valor do eixo das ordenadas representa o caudal mdio dirio que, em ano mdio, igualado ou excedido no nmero de dias indicado em abcissa. No caso de o curso de gua permanecer seco durante alguns dias, ao caudal zero corresponder um nmero de dias inferior a 365. A curva de durao de caudais pode ser adimensionalizada. O caudal passar a ser medido em "por unidade" (pu), tomando como base o caudal mdio, e o tempo ser medido em percentagem do tempo total. A Figura 5 mostra o aspecto da curva de durao de caudais que tem vindo a ser usada, aps a aplicao da operao de adimensionalizao.

Introduo Anlise Hidrolgica

11

30

25

20 Caudal (m3/s)

15

10

5

0 0 50 100 150 200 Tempo (dia) 250 300 350

Figura 4: Curva de durao de caudais.

20

15

Q/Qmed (pu)

10

5

0 0% 20% 40% Tempo (%) 60% 80% 100%

Figura 5: Curva de durao de caudais adimensionalizada.

Introduo Anlise Hidrolgica

12

2.2.

CORRELAO CAUDAL PRECIPITAONa maior parte dos casos, os projectistas de CMH no tm a possibilidade de

dispor de registos de caudais durante um nmero suficientemente grande de anos efectuados precisamente no local onde se pretende construir o aude, nem sequer em seco prxima. Como proceder, ento, para obter a imprescindvel curva de durao de caudais para o local em estudo? Uma circunstncia adjuvante para o trabalho dos projectistas, que a forma da curva de durao de caudais para dois locais se mantm relativamente inalterada, desde que as condies climatricas, designadamente a distribuio das precipitaes, e a natureza e o revestimento superficial do solo, sejam semelhantes 6. Estando verificadas estas condies, e conhecendo-se a curva de durao de caudais para uma determinada seco, possvel efectuar a sua extrapolao para outro local, graduando a curva a partir do conhecimento do respectivo caudal mdio, tambm designado caudal modular (ver Figura 5). O problema resume-se, agora, a obter o caudal modular para a seco em estudo. Vejamos qual a metodologia a prosseguir para o calcular. A informao relativa a caudais que est disponvel para o projectista refere-se, em geral, a mdias mensais tomadas num perodo dgito de anos no prprio curso de gua, ou em bacia hidrogrfica prxima com caractersticas anlogas. As precipitaes registadas, ao longo de dezenas de anos, pelas estaes udomtricas espalhadas profusamente pelo pas, constituem uma outra fonte de informao que est tambm acessvel e no pode ser ignorada pelos projectistas.

6

No caso de existir uma albufeira a montante do local em estudo para regularizao dos caudais afluentes, a condio no se verifica. A curva a jusante da albufeira transformada, sendo tendencialmente atenuados os caudais mais elevados e aumentados os caudais mais baixos.

Introduo Anlise Hidrolgica

13

Estabelecendo uma correlao entre os caudais escoados por unidade de seco, Hu (mm/ano), disponveis, como se viu, para alguns anos, e as precipitaes,H (mm/ano), registadas em idnticos perodos de tempo, obtm-se relaes do tipo

das representadas na equao 2. Hu = k1H k 2equao 2

A Figura 6 mostra dois exemplos de correlaes verificadas experimentalmente em dois cursos de gua, A e B.

2500 A Hu=1,09H-464

2000

Hu (mm/ano)

1500

1000 B Hu=0,94H-445

500

0 0 1000 H (mm/ano) 2000 3000

Figura 6: Correlao entre escoamentos e precipitaes. A curso gua no norte de Portugal; B curso de gua no centro de Portugal.

A equao 2 foi estabelecida a partir de registos efectuados durante poucos anos. Todavia, a correlao entre escoamentos e precipitaes permanece ao longo dos anos, alterando-se apenas nos anos muito secos ou muito hmidos. Aceitando as relaes expressas por equaes experimentais do tipo da equao 2, possvel, a partir dos registos udomtricos, estimar os caudais escoados ao longo de dezenas de anos, e calcular o seu valor mdio, Hu,med (mm/ano).

Introduo Anlise Hidrolgica

14

O caudal mdio anual, Qmed (m3/ano), dado pela expresso indicada na equao 3, em que S (km2) a rea da bacia hidrogrfica.Qmed = S Hu,med 10 3

equao 3

O caudal modular, Qmod (m3/ano), que se pretendia calcular para graduar a curva de durao de caudais, dado pela equao 4. Qmed 60 60 24 365

Qmod =

equao 4

Vale a pena mencionar que o projecto hidrolgico da CMH dever incluir muitos outros aspectos especficos que no tm cabimento nesta abordagem sinttica. A determinao do caudal mximo de cheia e a variao da altura de queda com o caudal, constituem dois bons exemplos de clculos adicionais a efectuar.

Introduo ao Projecto Detalhado

15

3.

INTRODUO AO PROJECTO DETALHADOA potncia, P (W), que pode ser aproveitada numa central hidroelctrica

dada pela expresso: P = Q hu equao 5

Na equao 5, = 9 810 N / m3 o peso volmico da gua, Q (m3/s) o caudal de gua que passa pela central, hu (m) a altura de queda til desnvel entre montante e jusante deduzido de um valor equivalente s perdas de energia hidrulica e o rendimento da central. parte o peso volmico, que pode ser expresso em (kN / m3 ) para a potncia vir expressa em (kW ) , nenhuma das grandezas da equao 5 constante. Esta circunstncia torna o processo de escolha da potncia a instalar, e a sua repartio pelo nmero de grupos, uma operao complexa. O factor que mais influencia a potncia a instalar o caudal, at porque aquele que apresenta um maior espectro de variao. Nem todo o caudal afluente , em geral, aproveitado para obter energia: pode haver limitaes por exigncias de gua para abastecimento ou rega, ou, ainda, pela garantia do caudal ecolgico. Assim, no ser econmico instalar equipamentos que s seriam plenamente aproveitados poucas horas por ano. Por outro lado, tambm no interessa usar as turbinas para uma pequena fraco do seu caudal nominal, porque o rendimento demasiado baixo. Para anlises de simulao detalhada do funcionamento de uma CMH, com equipamentos bem caracterizados, pode usar-se a metodologia iterativa que, em linhas gerais, se descreve seguir. A queda til calculada atravs da equao 6.

hu = zM kQ T zF AQaem que:

2

B

equao 6

Introduo ao Projecto Detalhado

16

zM a cota a montante;k o coeficiente de perda de carga do circuito hidrulico;

zF a cota do fundo ou zero da escala hidromtrica a jusante; A e B so coeficientes empricos da curva de vazo correspondente restituio;

Q T o caudal turbinado na central; Qa o caudal escoado para jusante da central.

O rendimento de cada grupo turbinagerador i , funo do respectivo caudal turbinado Qi :

i (Qi ) = ai + biQi + c iQi

2

i = 1, nNestas condies, a potncia (em kW) vem dada por (equao 8):P = 9,81 zM kQ T zF AQa aiQi + biQi + c iQi2 B 2 i =1

equao 7

(

)

n

(

3

)

equao 8

O objectivo consiste em obter a repartio de caudais, Qi , que maximiza a potncia, P , para um determinado nmero de grupos, n , e um valor de caudal turbinado total, QT . Este objectivo pode ser conseguido recorrendo aos multiplicadores de Lagrange 7. A maximizao de P obtida com as restries expressas na equao 9:Qi < QMDi

Qi =17

n

i

= QT

equao 9

Este mtodo tem tambm aplicao na obteno das equaes do Despacho Econmico de geradores.

Introduo ao Projecto Detalhado

17

em que QMDi o caudal mximo derivvel para cada grupo i . O nmero de grupos a instalar, n , com caractersticas conhecidas

(ai,bi, c i, QMDi ) pode ser calculado a partir da maximizao de uma funo objectivo. Funes do tipo benefciocusto, como sejam os critrios de avaliao de projectos Valor Actual Lquido (VAL) ou Taxa Interna de Rentabilidade (TIR) constituem bons exemplos de funes objectivo a adoptar. O processo ser repetido para diferentes configuraes de equipamento potncia instalada, nmero de grupos, tipo de turbina retendo-se a soluo que maximiza a funo objectivo. Na prtica, devido sua complexidade, a metodologia apresentada usada em fases adiantadas do projecto, no mbito de equipas multi-disciplinares, envolvendo as diferentes especialidades da engenharia.8

8

Estes conceitos so introduzidos e aplicados ao caso de avaliao de projectos de energia noutro captulo desta disciplina.

Metodologia na Fase de Anteprojecto

18

4.

METODOLOGIA NA FASE DE ANTEPROJECTOPara anlises mais simplificadas, tendo em vista a determinao da potn-

cia e o nmero de grupos a instalar na fase de anteprojecto, usual recorrer a critrios mais simples, e, em geral, envolvendo alguma dose de empirismo. So estas metodologias, usadas nas fases iniciais do projecto, que se abordam na sequncia.

4.1.

POTNCIA A INSTALAREm instalaes de CMH ligadas rede nacional, a hiptese inicial dever

ser a instalao de um nico grupo turbinagerador. Recorrendo curva de durao de caudais, a turbina dimensionada para um caudal nominal turbinado igual ao que excedido em cerca de 15% (55 dias) a 40% (146 dias) dos dias em ano mdio. A escolha desta percentagem depende da forma da curva de durao e, em grande parte, da experincia do projectista. Definido o caudal nominal (de projecto) e tomando, nesta fase, como constantes a altura de queda e o rendimento, a potncia calculada pela equao 5. Uma expresso, derivada da equao 5, muito vulgarizada para o clculo da potncia elctrica, em kW, :

P = 8 Q n hb

equao 10

o que equivale a tomar para rendimento global de todo o aproveitamento hidroelctrico, o valor de 81,6%. Qn (m3/s) o caudal nominal e hb (m) a altura bruta de queda. O rendimento global, que depende do caudal, o produto dos rendimentos do circuito hidrulico, da turbina, do gerador e do transformador, e ainda inclui os dispndios de energia nos equipamentos auxiliares. Tomar 81,6%, para valor mdio deste rendimento global, parece ser optimista, para os pequenos aproveita-

Metodologia na Fase de Anteprojecto

19

mentos; nestes casos, ser mais realista contar com valores entre 60 a 70%, e, portanto, o coeficiente da equao 10 dever ser reduzido para 6 ou 7. Uma expresso prtica de clculo a usar para determinar a potncia elctrica (em kW) numa central mini-hdrica , portanto:

P = 7 Q n hb

equao 11

4.2.

ESCOLHA DA TURBINAA turbina hidrulica corresponde a uma parcela muito significativa do custo

de uma CMH (pode chegar at 50%), pelo que a sua seleco criteriosa se reveste de particular interesse. A escolha da turbina resulta da interaco de trs parmetros queda, caudal e potncia. A Figura 7 ilustra uma tabela grfica usada na seleco de turbinas para pequenos aproveitamentos hidroelctricos.

Figura 7: Tabela grfica de seleco de turbinas para CMH [ECO].

Metodologia na Fase de Anteprojecto

20

As turbinas podem ser divididas em dois tipos: turbinas de aco (ou de impulso) e turbinas de reaco. Qualquer um destes tipos usado em CMH. As turbinas de aco so mais adequadas a uma utilizao caracterizada por quedas relativamente elevadas e caudais baixos. Nas CMH, ainda assim, podem encontrar-se turbinas Pelton (de aco) funcionando com quedas intermdias (20 a 100 m) e com potncias variando entre 50 e 500 kW. Na capa deste texto mostra-se uma imagem de uma turbina Pelton. Um outro tipo de turbina de aco usado principalmente na gama das baixas potncias, a turbina BankiMitchell 9. O seu rendimento inferior aos das turbinas de projecto convencional, mas mantm-se num valor elevado ao longo de uma extensa gama de caudais. Esta caracterstica torna-a adequada operao num espectro largo de caudais. A Figura 8 mostra o desenho de uma turbina Banki-Mitchell.

Figura 8: Desenho de uma turbina Banki-Mitchell.

Nas turbinas de reaco distinguem-se dois grandes grupos. As turbinas radiais, do tipo Francis (Figura 9), so turbinas adequadas para operao com condies intermdias de queda e de caudal. As turbinas axiais, do tipo Kaplan e hlice, so indicadas para funcionamento sob queda baixa e caudais elevados (Figura 10).

9

Turbina de escoamento atravessante ou "crossflow".

Metodologia na Fase de Anteprojecto

21

Figura 9: Imagens de turbinas Francis [VATech].

Figura 10: Imagens de turbinas Kaplan [VATech].

As turbinas hlice so no regulveis

10,

e por isso de constituio mais sim-

ples e robusta, so mais baratas, e tm menor manuteno. Em contrapartida, no tm a flexibilidade proporcionada pelas turbinas Kaplan, que so regulveis. Esta regulao pode ser dupla mobilidade das ps da roda e do distribuidor ou simples apenas uma possibilidade de regulao. Neste ltimo caso, usual a opo pela regulao das ps da roda, por esta proporcionar uma curva de rendimentos mais plana (ver Figura 11). A Figura 11 mostra as curvas de rendimento tpicas para as turbinas mencionadas (legenda: da esquerda para a direita no eixo das abcissas Pelton, Kaplan com rotor e distribuidor regulveis, Francis, Kaplan com rotor regulvel, Kaplan com distribuidor regulvel).

As turbinas de ps fixas possuem apenas regulao em vazio, para adaptao a diferentes regimes de caudais afluentes (perodo de chuvas e perodo de estiagem).10

Metodologia na Fase de Anteprojecto

22

Kaplan c/ rotor reg.

Francis

Kaplan c/ rotor + distrib. reg.

Kaplan c/ distrib. reg.

Pelton

Figura 11: Curvas tpicas de rendimento das turbinas [Voith].

Outro factor a ter em conta a variao da queda, que particularmente significativa nos aproveitamentos de baixa e mdia queda. As turbinas Francis e Kaplan so, tambm sob este ponto de vista, melhores do que as turbinas hlice: as primeiras suportam variaes de queda entre 65% e 125% da queda nominal, enquanto a gama de variao da ltima de apenas 90% a 110%. Em aproveitamentos de muito pequena potncia microcentrais tem sido proposta a utilizao de bombas funcionando em sentido inverso, como turbinas. Apesar de uma reduo de rendimento e da impossibilidade de adaptao ao caudal, esta soluo apresenta vantagens interessantes, tais como baixo preo, disponibilidade no mercado, fcil montagem e manuteno reduzida.

4.3.

ESCOLHA DO GERADORA escolha do conversor mecano-elctrico para equipar uma central mini-

hdrica depende das especificaes impostas turbina, no que diz respeito a rendimento, velocidade nominal e de embalamento, constante de inrcia, tipo de regulao, etc.

Metodologia na Fase de Anteprojecto

23

Uma opo fundamental coloca-se entre o gerador sncrono (alternador) e o gerador assncrono (ou de induo) 11. O gerador assncrono constitui, em geral, a soluo tcnica e economicamente prefervel, devido s suas conhecidas caractersticas de robustez, fiabilidade e economia. Nas centrais de potncia mais elevada so exigidas solues tcnicas mais elaboradas e os aspectos econmicos so menos crticos, pelo que o gerador sncrono normalmente o conversor eleito. Em Portugal, verifica-se que a maior parte das centrais mini-hdricas est equipada com geradores sncronos, o que contraria a regra exposta acima. Uma primeira razo que ocorre para explicar esta situao prende-se com o facto de, ao tempo em que as mini-hdricas se comearam a espalhar pelo pas (dcada de oitenta), no haver experincia de operao das mquinas assncronas no funcionamento como gerador provados. Outra razo tem a ver com a operao das turbinas. Para quedas baixas, caractersticas da maior parte das aplicaes mini-hdricas, a velocidade da turbina tambm baixa13. 12.

Esta circunstncia ter levado os projectistas

a tomarem uma atitude de prudncia e a optarem por solues com mritos com-

Ora, os fabricantes de motores de induo no ofereciam solu-

es equipadas com multiplos, porque no tinham aplicao na indstria. Nestas condies, o uso deste tipo de conversor obrigava a recorrer a uma caixa de engrenagens para adaptao de velocidades. Independentemente do tipo construtivo, o custo dos geradores aumenta sensivelmente com o nmero de plos, ou seja, diminui com o aumento da velocidade nominal. Da a vantagem econmica associada ao uso de multiplicadores de velocidade e geradores de induo.

Esta opo discutida, em pormenor, noutro captulo da disciplina. Na sequncia, abordam-se, apenas, aspectos especficos da aplicao em CMH. 12 Hoje em dia a situao diferente, dada a experincia entretanto adquirida do funcionamento da mquina assncrona como gerador em aproveitamentos elicos. 13 Da ordem de 500 a 1000 rpm.11

Metodologia na Fase de Anteprojecto

24

Contudo, este conjunto tambm apresentava inconvenientes de monta: reduo do rendimento e, consequentemente, da energia produzida, mais manuteno, menos fiabilidade, construo especial para proteco contra embalamento. Tudo visto e ponderado, levou os projectistas a escolher a soluo habitual em aproveitamentos hidroelctricos, constituda por grupos turbinaalternador, que dispensam a caixas de velocidades. O gerador assncrono dispensa um sistema de excitao, sendo esta fornecida pela prpria rede qual est ligado. A consequncia que o gerador assncrono absorve energia reactiva, que deve ser localmente gerada por meio de uma bateria de condensadores, para evitar o inconveniente trnsito de energia reactiva atravs da rede. A Figura 12 ilustra a relao entre a potncia activa injectada na rede e a potncia reactiva absorvida por um gerador de induo.

75

50 Q/Pn (%) 25 0 0 25 50 P/Pn (%) 75 100

Figura 12: Potncia activa injectada, P, e potncia reactiva absorvida, Q, no gerador de induo (Pn potncia nominal).

Metodologia na Fase de Anteprojecto

25

A Figura 12 mostra a necessidade de instalar baterias de condensadores com uma capacidade, em termos de potncia reactiva, de cerca de 60% da potncia activa nominal do gerador, por forma a efectuar a compensao do factor de potncia.

4.4.

ENERGIA ELCTRICA PRODUTVELJ foi referido que o projecto de uma central mini-hdrica um processo ite-

rativo que envolve o balano de despesas e receitas para vrias possveis solues. A hiptese inicial ser a instalao de um nico grupo turbinagerador, escolhido com base nos critrios apresentados anteriormente. A turbina escolhida para um determinado caudal nominal, que se verificar apenas em cerca de 20% a 30% dos dias, em ano mdio. Ora, como claramente se mostra na Figura 11, o rendimento da turbina depende do caudal, pelo que s turbinas so impostos limites de explorao, isto , fixada uma faixa admissvel de operao em torno do caudal nominal, sem variao aprecivel do rendimento. Fora desta faixa, a turbina desligada, por insuficincia de rendimento. Na Tabela 3 indicam-se os limites de explorao das turbinas em funo do caudal turbinado. O ponto de partida para o clculo da energia elctrica produtvel, em ano mdio, a curva de durao de caudais. Nesta curva, marcam-se os limites de explorao da turbina, bem como o caudal de cheia, Qc , acima do qual a queda praticamente nula e, portanto, no possvel recolher energia.

Metodologia na Fase de Anteprojecto Tabela 3: Limites de explorao das turbinas.

26

Turbina Pelton Francis Kaplan com dupla regulao Kaplan com rotor regulado Kaplan com distrib. regulado

1 =

Q min Qn

2 =

QMax Qn

0,1 a 0,2 0,3 a 0,4 0,25 0,4 0,75

1,15 1,15 1,25 1,0 1,0

A Figura 13 mostra a curva de durao de caudais onde se efectuaram as marcaes referidas, permitindo definir a rea de explorao.

25 Qc

20 rea de explorao 15 Q (m /s)3

2Qn

10 Qn

5 t0 0 0 30 60 90 t1

1Qn

t2

120

150

180 t (dia)

210

240

270

300

330

360

Figura 13: Curva de durao de caudais: marcao da rea de explorao.

Metodologia na Fase de Anteprojecto

27

Para servir de exemplo, considerou-se uma CMH, com uma altura de queda bruta, hb = 6 m , a instalar num local onde a curva de durao de caudais pode ser aproximada pela expresso analtica:t 100

Q( t ) = 25 epara t (dia) e Q (m3/s).

equao 12

A definio da rea de explorao comporta os seguintes passos:

O caudal nominal foi escolhido como sendo igual ao que excedido em 80 dias por ano (22%), isto , Qn = 11,23 m3 / s .

O caudal de cheia, que dever ser objecto de clculo especfico, pode ser tomado, nesta fase, como sendo o dobro do caudal nominal, isto ,Qc = 22,46 m3 / s . A este caudal corresponde t 0 = 11 dia .

Usando a equao 11, e atendendo gama de equipamentos disponveis no mercado, que discreta, a potncia elctrica a instalar P = 500 kW .

A Figura 7 fornece a indicao que a turbina poder ser do tipo Kaplan. Os limites de explorao (ver

Tabela 3) para esta turbina so

1 = 0,25

e

2 = 1,25 . Logo,

1Qn = 2,81 m3 / s e 2Qn = 14,04 m3 / s , a que correspondem, respectivamente, t 2 = 219 dia e t1 = 58 dia . No caso geral, a energia produtvel em ano mdio :

Ea =

365

0

P( t ) dt = 9,81

365

0

Q( t ) hu ( t ) ( t ) dt

equao 13

Nesta fase de anlise simplificada, consideram-se como constantes a altura de queda bruta e o rendimento global do aproveitamento, o que permite usar a

Metodologia na Fase de Anteprojecto

28

equao 11 como base de clculo da energia produtvel. A expresso prtica para o clculo da energia produtvel em ano mdio , portanto:t2 Ea = 7 hb Q( t ) dt + ( t1 t 0 ) 2Qn t 1

equao 14

o que para o caso de estudo da Figura 13 conduz ao resultado:219 Ea = 7 6 Q( t ) dt + (58 10) 14,04 24 58 Ea 1800 MWh

equao 15

4.5.

DOIS GRUPOS TURBINA/GERADORO caudal nominal e a potncia nominal podem ser satisfeitos recorrendo a

mais do que um grupo turbina/gerador. Cada grupo a mais permitir aproveitar mais caudal afluente e aumentar a rea de explorao da central na curva de durao de caudais. O benefcio correspondente a este aumento de energia anual produzida pode ser comparado com o custo adicional correspondente a mais grupos instalados. Em geral, o nmero ptimo de grupos a instalar no excede dois. O caso mais simples consiste em ter dois grupos iguais, com repartio de caudais entre turbinas segundo uma regra pr-fixada. O caudal mximo turbinvel, QMT , :2

QMT = 2Qnii=1

equao 16

Um exemplo de distribuio de caudais pode ser, para um determinado caudal afluente, Q j (Tabela 4): No exemplo da Tabela 4, o caudal nominal do aproveitamento, Q n , :

Qn = 2Qn1 = 2Qn2

equao 17

Metodologia na Fase de Anteprojecto

29

O caudal mnimo de explorao menor do que no caso de existir apenas uma turbina, sendo dado por 1Qn1 = 1Qn2 . A rea de explorao acrescida da rea adicional 2, como se mostra na Figura 14.Tabela 4: Exemplo de distribuio pr-fixada do caudal afluente por duas turbinas.

Qj 0 Q j Qn 2 Qn 2 < Q j 1,25Qn

Turbina 1Qj Qj 2

Turbina 20 Qj 2

25 Qc

20

2Qn

15 Q (m /s)3

Qn=2Qn1=2Qn2 rea de explorao 1

10

rea adicional 2

5 1Qn1= 1Qn2 t0 0 0 30 60 90 120 150 180 t (dia) 210 240 270 300 t1 t2

t3

330

360

Figura 14: Curva de durao de caudais: marcao da rea adicional 2.

No caso de estudo que temos vindo a analisar, os resultados so:

O caudal nominal manteve-se constante no valor Qn = 11,23 m3 / s , e o caudal nominal de cada turbina Qn1 = Qn 2 = 5,62 m3 / s . A potncia nominal de cada unidade P1 = P2 = 250 kW .

Metodologia na Fase de Anteprojecto

30

O caudal mximo turbinvel QMT = 14,04 m3 / s , mas o limite mnimo de explorao passou a ser 1Qn1 = 1Qn2 = 1,41m3 / s . A este caudal mnimo corresponde t 3 = 288 dia .

A energia adicional produtvel em ano mdio :Ea 2 = 7 hb Q( t ) dtt2 t3

equao 18

o que iguala o valor de Ea 2 = 140 MWh , quando aplicado ao nosso caso de estudo. Uma outra alternativa para aumentar a energia produtvel consiste em instalar um segundo grupo, com potncia inferior ao primeiro, para aproveitar apenas a parte da curva de durao de caudais que no coberta pelo grupo principal. Neste caso, o caudal nominal do primeiro grupo Qn , e o segundo grupo dimensionado de modo a satisfazer a:

Qn2 = 1Qn

equao 19

A Figura 15 mostra a curva de durao de caudais com a respectiva marcao da rea adicional, agora designada por 2'. A aplicao ao caso de estudo conduz aos seguintes resultados:

O caudal nominal da turbina 2, , Qn2 = 1Qn = 2,81 m3 / s . Usando a equao 11, e a gama de equipamentos disponveis, a potncia elctrica do grupo 2 P = 100 kW .

Os limites de explorao so da turbina 2 so 1Qn = 2,81 m3 / s e1Qn2 = 1 Qn = 0,7 m3 / s ,2

a

que

correspondem,

respectivamente,

t 2 = 219 dia e t'3 = 358 dia .

Metodologia na Fase de Anteprojecto25 Qc

31

20

15 Q (m /s)3

2Qn rea de explorao 1

10 Qn

rea adicional 2'

5 t0 0 0 30 60 90 t1

1Qn=Qn2 1Qn2 120 150 180 t (dia) 210 240

t2

t'3

270

300

330

360

Figura 15: Curva de durao de caudais: marcao da rea adicional 2'.

A energia adicional produtvel em ano mdio :Ea 2' = 7 hb Q( t ) dtt2 t '3

equao 20

o que iguala o valor de Ea2' = 210 MWh , quando aplicado ao nosso caso de estudo. Como regra geral, todas as solues tecnicamente possveis devem ser comparadas, usando os critrios de avaliao de projectos habituais.

Anexo

32

5.

ANEXONOTAS SOBRE AUTOMAO E CONTROLOA viabilidade econmica da generalidade das CMH est directamente de-

pendente da possibilidade de funcionarem em modo de explorao abandonada, dispensando a permanncia de pessoal operador na central. Os equipamentos de automao e controlo assumem, nestas condies, uma importncia acrescida. As funes de automao, que esto a cargo dos autmatos programveis e/ou computadores industriais, so, em linhas gerais, as seguintes:

comando automtico da central, activando os programas sequenciais de arranque e paragem e explorao em funo das condies prdefinidas;

aquisio de estados, alarmes, disparos e medidas elctricas, mecnicas e hidrulicas;

sinalizao de estados, alarmes e disparos; ligao, via linha telefnica, a um posto remoto de telecontrolo; ligao, via telefnica, a um sistema de telemensagem.

Particularmente importante o algoritmo de regulao automtica do nvel da tomada de gua dos grupos, que, em face do nvel registado, deve escolher o tipo de explorao adequado. O telecontrolo permite que sejam transmitidas at um posto central de controlo todas as indicaes que permitam uma explorao eficaz e segura das instalaes. Por outro lado, a partir do posto de controlo dever ser possvel comandar directamente alguns rgos da central ou desencadear a operao de funes de automao e regulao locais.

Anexo

33

Os dados a transmitir no sentido CMH posto de comando so, essencialmente: mudanas de estado de rgos de manobra, alarmes e disparos, medidas elctricas, mecnicas (velocidade do grupo e temperatura) e hidrulicas (posio dos rgos de regulao da turbina e de vlvulas e rgos de descarga, nveis de gua). No sentido contrrio, os comandos transmitidos so: abertura e fecho do disjuntor de grupo, arranque e paragem do grupo, alterao das referncias de regulao (nveis, tenso) e posio de vlvulas e rgos de descarga.

Bibliografia

34

6.6.1.[APRH] [Caddet]

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[ECO]

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6.2.

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