Esta é a primeira publicação de uma série chamada Atividade Prática que tem como objetivo compartilhar com os leitores os assuntos estudados nas disciplinas durante o curso de engenharia elétrica.
RESUMO
Este documento apresenta uma breve análise do princípio de funcionamento de uma usina hidrelétrica; o funcionamento da Itaipu; sistema de geração da Itaipu; e sistema de transmissão da Itaipu. Sobre o sistema de distribuição de energia elétrica é apresentada uma análise do sistema da cidade de Taquara-RS. O estudo foi realizado com base em estudos bibliográficos e não a pretensão de esgotar o assunto, mas sim trazer elementos para compreensão e análise do sistema de geração e de transmissão de energia elétrica gerada pela usina hidrelétrica de Itaipu, bem como o sistema de distribuição de energia na cidade local.
Palavras-chave: Usina hidrelétrica, Geração, Transmissão, Itaipu.
INTRODUÇÃO
A energia elétrica tem sido uma das principais fontes de energia utilizada no mundo. Com o avanço das tecnologias e o aumento da população, o consumo de energia tende a aumentar ainda mais. Por outro lado, a tecnologia traz inovações que permitem criar formas de geração e utilização da energia que visam potencializar o uso das energias renováveis, as quais representam 83% da capacidade instalada de geração da energia elétrica brasileira, segundo relatório do Ministério de Minas e Energia de 2020.
Para construir uma usina hidrelétrica é necessário levar em consideração os impactos sociais e ambientais decorrentes da sua construção. No entanto, por utilizar tecnologia já consolidada, fonte de energia limpa e o baixo custo de operação e manutenção têm sido a melhor opção em termos de geração de energia elétrica.
Este documento tem como objetivo trazer uma breve análise do princípio de funcionamento de uma usina hidrelétrica; funcionamento da Itaipu; sistema de geração da Itaipu; e sistema de transmissão da Itaipu. Para melhorar o entendimento do sistema de distribuição de energia elétrica é apresentada uma análise do sistema são apresentados os resultados de uma análise do sistema de distribuição da cidade de Taquara-RS.
O estudo foi realizado com base em estudos bibliográficos e não tem a pretensão de esgotar o assunto, mas sim trazer elementos relevantes para compreensão e análise do sistema de geração e de transmissão de energia elétrica gerada pela usina hidrelétrica de Itaipu, bem como o sistema de distribuição de energia na cidade local.
OBJETIVO
Trazer uma breve análise do princípio de funcionamento de uma usina hidrelétrica; funcionamento da Itaipu; sistema de geração da Itaipu; e sistema de transmissão da Itaipu.
DESENVOLVIMENTO
A primeira etapa do estudo foi realizar uma análise do princípio de funcionamento de uma usina hidrelétrica, onde são identificados os componentes principais de uma usina. A partir desta análise o estudo foi direcionado ao funcionamento, geração e transmissão da usina de Itaipu. Para melhorar a compreensão sobre os sistemas de distribuição de energia é apresentada uma análise do sistema de distribuição da cidade de Taquara, no Rio Grande do Sul.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM A USINA HIDRELÉTRICA
O princípio de funcionamento de uma usina hidrelétrica é baseado no processo de conversão de energias, mas para realizar este processo é necessário que a água esteja em um nível superior em relação aos demais componentes que compõem os sistemas de conversão utilizados em usinas hidrelétricas. Uma usina hidrelétrica é composta, basicamente, de barragem, sistemas de captação e adução de água, casa de força e vertedouros (TOLMASQUIM, 2016).
Para facilitar o entendimento a figura 1 ilustra um circuito hidráulico de adução e geração.
Figura 1 - Ilustração de uma usina hidrelétrica (PEREIRA, 2015).
A água armazenada no reservatório é conduzida através do conduto forçado até as turbinas que são acopladas aos geradores elétricos. Deste modo a energia potencial da água é convertida em energia cinética por meio das turbinas e a conversão da energia mecânica das turbinas acopladas aos geradores em energia elétrica (GRIGSBY, 2007). O desnível entre os volumes de água do reservatório e do canal de fuga representa um potencial energético aproveitado nas usinas hidrelétricas (TOLMASQUIM, 2016).
As usinas hidrelétricas são construídas de acordo com as características do local de sua construção, levando em consideração a topologia e as condições geológicas, e são classificadas como: usina a fio d’água, usina com reservatório de acumulação e usina reversível.
- Usina a fio d’água: não possui reservatório, utiliza o fluxo disponível para geração;
- Usina com reservatório de acumulação: possui reservatório para acumular água para uso em tempos de estiagem, com fluxo controlado;
- Usina reversível: possui reservatório para acumular água (nível superior) e pode bombear parte da água que fui utilizada (nível inferior) de volta para o reservatório de acumulação, permitindo sua reutilização no processo de geração.
A energia elétrica tem sido uma das principais fontes de energia utilizada no mundo e usinas hidrelétricas possuem uma tecnologia já consolidada, com fonte de energia limpa, com baixo custo de operação e de manutenção, e têm sido a melhor opção em termos de geração de energia elétrica.
Com avanço das tecnologias e o aumento da população, o consumo de energia tende a aumentar ainda mais. Por outro lado, a tecnologia traz inovações que permitem criar formas de geração e utilização da energia que visam potencializar o uso das energias renováveis, as quais representam 83% da capacidade instalada de geração da energia elétrica brasileira (MME, 2020).
Tabela 1 - Fontes renováveis instaladas no Brasil (MME, 2020).
Levando em consideração os impactos socioambientais causados pelas usinas hidrelétricas, novas pesquisas são realizadas para utilizar novas tecnologias que viabilizem o uso de outras fontes de energias renováveis. No entanto, independentemente da fonte de energia utilizada, sempre haverá fatores positivos e negativos diante as novas instalações de uma usina para geração de energia elétrica.
Na década de 80, a Resolução 01/1986 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), ficou critérios básicos e diretrizes gerais para a avaliação de impacto ambiental. Desde então o Estudo de Impacto Ambiental (EIA) e o Relatório de Impacto Ambiental (RIMA) tornou-se obrigatório para usinas de geração de eletricidade, com capacidade de geração acima de 10MW, de qualquer que seja a fonte de energia primária.
FUNCIONAMENTO DA ITAIPU
A usina de Itaipu é a segunda maior usina hidrelétrica do mundo. É uma empresa binacional, localizada no rio Paraná, construída na fronteira entre Brasil e o Paraguai. O empreendimento teve o início das obras em 1975 e durou até 1982. Sua operação iniciou no dia 05 de maio de 1984 e até dezembro de 2019, segundo o Relatório Anual (2019) produziu o equivalente acumulado à 2.688.207 GWh em energia elétrica. Em 2016 atingiu o recorde por ultrapassar a marca de 103 milhões de MWh em geração de energia (ITAIPU, 2020).
Através da figura 2 podemos ter ideia da dimensão da usina hidrelétrica Itaipu, com uma barragem tem extensão de 7919 metro e altura máxima de 196 metros. A barragem tem um desnível 120 metros e possui 20 comportas por onde é realizada a tomada de água que conduz através dos condutos forçados de 10,5 metros de diâmetro interno e comprimento de 142 metros. A água é conduzida até a caixa espiral que faz a turbina girar (DTIB, 2009).
O vertedouro tem 362 metros largura e 483 metros de comprimento e tem a função de descarregar o excesso de água que o reservatório pode acumular. As 14 comportas podem liberar um volume de água equivalente a 62.200 m³/s que é 40 vezes maior que a vazão média das Cataratas do Iguaçu.
Durante o período de construção da usina, o vertedouro funcionou sem interrupção até a instalação completas das 20 unidades de geração.
Figura 2 - Vista aérea da usina hidrelétrica Itaipu (ITAIPU, 2020).
Figura 3 - Estrutura da barragem (ITAIPU, 2020).
SISTEMA DE GERAÇÃO DA ITAIPU
A usina hidrelétrica de ITAIPU produziu em 2016 mais de 103 milhões de MWh. Possui 20 unidades geradoras instalada, compostas por turbinas do tipo Francis de eixo vertical, com capacidade individual de 700MW de potência, constituem um total de 14.000 MW de potência instalada, sendo 10 unidades para gerar 11,3% da energia consumida no Brasil, com frequência de 60Hz, e 10 unidades para gerar 88,1% da energia consumida no Paraguai, com frequência de 50Hz (ITAIPU, 2020).
Figura 4 - Ilustração da casa de força (ITAIPU, 2020).
Na parte superior da barragem as comportas conduzem o fluxo de água através do contudo forçado até a caixa espiral e através do pré-distribuidor direciona a água na entrada da turbina. A turbina é acoplada ao gerador através de um eixo vertical de 5,5 metros de altura e 3,7 metros de altura (DTIB, 2009).
Na Casa de Força estão alojados as máquinas e equipamentos eletromecânicos responsáveis pela produção de energia, tais como caixa espiral, a turbina, o gerador, o sistema de excitação e o regulador de velocidade. A casa de força é prevista para facilitar a montagem e desmontagem dos equipamentos visando facilitar e simplificar a operação e manutenção de suas partes (SCHREIBER, 1977).
Figura 5 – Registro do pré-distribuidor durante sua fabricação.
Figura 6 - Eixo da turbina, registrado em visita técnica em 2014.
SISTEMA DE TRANSMISSÃO DE ITAIPU
A unidades geradoras da usina geram a energia a uma tensão 18kV que é transformada na casa de força para 500kV. A energia produzida então é transmitida para os pontos de conexão do sistema brasileiro e paraguaio.
No lado brasileiro a transmissão é realiza por quatro linhas de 500kV, em frequência de 60Hz, para subestação de Foz do Iguaçu, localizada na margem esquerda. Partindo de Foz do Iguaçu, três linhas de 765 kV transmitem a energia produzida até a região de São Paulo, na subestação Tijuco Preto (há duas subestações intermediárias, Ivaiporã e Itaberá). No lado paraguaio a transmissão é realizada por quatro linhas de 500kV, em frequência de 50 Hz, para subestação da margem direita. Parte da energia é transmitida ao Paraguai através de quatro linhas de 220kV. A energia excedente é transmitida para subestação de Foz do Iguaçu que converte esta energia para corrente contínua e transmite para região de São Paulo através de duas linhas de 600kV em alta tensão contínua (ITAIPU, 2020).
Figura 7 - Sistema de interligação das subestações de Itaipu.
A partir da subestação de Foz do Iguaçu, as linhas de transmissão de 230kV seguem para diversas regiões do País. Segundo o Mapa Geoelétrico da ONS (2019), na figura 8, é possível observar as linhas de transmissão distribuídas na Região Sul. As linhas passam por várias subestações que interligam os sistemas elétricos dos estados.
Figura 8 - Sistema de transmissão do sul do Brasil (ONS, 2019).
A figura 9 ilustra os sistemas de transmissão de energia do Paraguai. Diferentemente do Brasil, as linhas de maior tensão são transmitidas em 220kV.
Figura 9 - Sistema de transmissão no Paraguai (DTIB, 2009).
SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO NA CIDADE DE TAQUARA-RS
O sistema de distribuição de energia da cidade de Taquara, no Rio Grande do Sul, é proveniente de duas subestações instaladas na cidade. A subestação ilustrada na figura 10 recebe uma linha de transmissão de 230kV, proveniente da subestação CAXIAS II. Na figura 11 temos a subestação que recebe uma linha de transmissão de 138kV, proveniente de três usina hidrelétricas de pequeno porte instaladas na região da Serra Gaúcha.
Figura 10 - Subestação Taquara II de 230kV.
Figura 11 - Subestação Taquara I de 138kV.
Na figura 12 nota-se em detalhe as linhas de transmissão e interconexões das subestações localizadas na Região Metropolitana de Porto Alegre, Vale dos Sinos, Vale do Paranhana e Serra Gaúcha.
Figura 12 - Detalhe do mapa geoeletrico (ONS, 2019).
A partir das subestações Taquara I e Taquara II, interligadas entre si, dois transformadores de 42 MVA rebaixam a tensão para rede de distribuição urbana em Média Tensão (MT) de 13,8kV trifásico. As linhas de MT seguem para os bairros que possuem transformadores que rebaixam a para tensão de rede que é distribuída para as indústrias e consumidores em geral, conforme ilustra a figura 13.
Figura 13 - Transformador rebaixador de tensão.
CONCLUSÃO
A usina hidrelétrica de Itaipu é sem dúvida um dos maiores empreendimentos de engenharia já construído no Brasil. Apesar de estar em operação a mais de 35 anos, sua produção de energia tem sido muito significativa para o sistema energético brasileiro. Sua construção tem sido de suma importância para os estudos de engenharia acerca dos sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia.
O estudo foi realizado com base em estudos bibliográficos e não pretende esgotar o assunto, mas sim apresenta elementos relevantes para compreensão e análise do sistema de geração e de transmissão de energia elétrica gerada pela usina hidrelétrica de Itaipu, bem como o sistema de distribuição de energia na cidade de Taquara, no Rio Grande do Sul.
TOLMASQUIM, Mauricio Tiomno. Energia Renovável: Hidráulica, Biomassa, Eólica, Solar, Oceânica. EPE: Rio de Janeiro, 2016.
PEREIRA, Geraldo Magela. Projeto de usinas hidrelétricas passo a passo. São Paulo: Oficina de Textos, 2015.
GRIGSBY, Leonard Lee. Electric power generation, transmission, and distribution. CRC Press: 2007.
Ministério de Minas e Energia. Boletim Mensal de Monitoramento do Sistema Elétrico Brasileiro. MME: Abril, 2020.
Conselho Nacional do Meio Ambiente. Resolução nº 1: Critérios básicos e diretrizes gerais para a avaliação de impacto ambiental. CONAMA: Publicada no DOU, de 17 de fevereiro de 1986, Seção 1, páginas 2548-2549.
Diretoria Técnica da Itaipu Binacional. Itaipu: usina hidrelétrica – projeto: aspectos de engenharia. DTIB. Foz do Iguaçu: Itaipu Binacional, 2009.
SCHREIBER, Gerherd Paul. Usinas hidrelétricas. Rio de Janeiro, 1977. Operador Nacional do Sistema Elétrico. Mapa Geoeletrico < http://www.ons.org.br/Mapas/MapaGeoeletrico_RededeOperacao_Brasil_2019.pdf >. Acesso em: 20 jul. 2020.
ITAIPU. Nossa História. Disponível em: < https://www.itaipu.gov.br/nossahistoria>. Acesso
em: 20 jul. 2020.
