Potência hidráulica: características, como funciona, vantagens, utilizações - Ciência - 2023

Potência hidráulica: características, funcionamento, vantagens, utilizações - Ciência

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o energia hidraulica É a capacidade da água de produzir trabalho na forma de movimento, luz e calor com base em seu potencial e energia cinética. Também é considerada uma energia renovável limpa e de alto desempenho.

Essa energia é determinada pelo fluxo, pela irregularidade entre os pontos do solo por onde a água se move e pela força da gravidade. Tem sido usado por humanos desde os tempos antigos para realizar diferentes trabalhos.

Um dos primeiros usos dados à energia hidráulica foi para operar moinhos de água que aproveitavam a força da corrente. Desse modo, por meio de engrenagens, poderia-se mover pedras de moinho para debulhar o trigo.

Atualmente sua aplicação mais relevante é a geração de energia elétrica por meio de usinas hidráulicas ou hidrelétricas. Essas usinas são compostas basicamente por uma barragem e um sistema de turbinas e alternadores.

A água se acumula na barragem entre dois níveis do canal (desníveis geodésicos), gerando energia potencial gravitacional. Posteriormente, a corrente de água (energia cinética) aciona turbinas que transmitem a energia aos alternadores para produzir energia elétrica.

Entre as vantagens da energia hidráulica está o fato de ser renovável e não poluente, ao contrário de outras fontes de energia. Por outro lado, é altamente eficiente com um rendimento que varia de 90 a 95%.

O impacto ambiental das usinas hidrelétricas está associado à variação da temperatura e alteração física do curso d'água. Da mesma forma, óleos e gorduras residuais são produzidos, os quais são filtrados das máquinas.

Sua principal desvantagem é a alteração física causada pelo alagamento de grandes áreas de terra e alteração do curso e fluxo natural dos rios.

A maior usina hidrelétrica do mundo é The Three Gorges, localizada na China, no rio Yangtze. As outras duas importantes são as de Itaipu, na fronteira entre Brasil e Paraguai, e a hidrelétrica Simón Bolívar ou Guri, na Venezuela.

Caracteristicas

A fonte de energia hidráulica é a água e é considerada energia renovável desde que o ciclo da água não seja alterado. Da mesma forma, pode produzir trabalho sem gerar resíduos sólidos ou gases poluentes e, portanto, é considerada uma energia limpa.

Desempenho

A eficiência energética refere-se à relação entre a quantidade de energia obtida em um processo e a energia que foi necessária para investir nele. No caso da energia hidráulica, consegue-se uma eficiência entre 90 a 95% dependendo da velocidade da água e do sistema de turbina utilizado.

Como funciona a energia hidrelétrica?

Transformação da energia solar em energia cinética

A base da energia hidráulica está na energia solar, na topografia do terreno e na gravidade terrestre. No ciclo da água, a energia solar provoca a evaporação e então a água condensa e precipita na terra.

Como consequência do solo irregular e da força da gravidade, as correntes de água superficiais ocorrem na superfície da Terra. Desta forma, a energia solar é transformada em energia cinética devido ao movimento da água pela ação combinada do desnível e da gravidade.

Mais tarde, a energia cinética da água pode ser transformada em energia mecânica capaz de realizar trabalho. Por exemplo, as lâminas podem ser movidas para transmitir movimento a um sistema de engrenagens que pode acionar vários dispositivos.

A magnitude da energia hidráulica é dada pelo desnível entre dois pontos do leito do rio e seu fluxo. Quanto maior o desnível do terreno, maior o potencial e a energia cinética da água, bem como sua capacidade de gerar trabalho.

Nesse sentido, energia potencial é aquela que se acumula em um corpo d'água e está relacionada à sua altura em relação ao solo. Por outro lado, a energia cinética é aquela que a água libera em seu movimento descendente em função da topografia e da gravidade.

Produção de eletricidade a partir de energia hidrelétrica (hidroelétrica)

A energia cinética gerada pela queda de água pode ser usada para produzir energia elétrica. Isso é conseguido construindo barragens onde a água se acumula e é mantida em diferentes níveis de altura.

Assim, a energia potencial da água é diretamente proporcional à diferença de nível entre um ponto e outro e quando a água cai ela se transforma em energia cinética. Posteriormente, a água passa por um sistema de lâminas rotativas e gera energia cinética rotacional.

O movimento rotacional permite sistemas de engrenagens móveis que podem ativar sistemas mecânicos como moinhos, rodas ou alternadores. No caso particular da geração de energia hidrelétrica, o sistema requer um sistema de turbina e um alternador para gerar eletricidade.

Turbinas

A turbina consiste em um eixo horizontal ou vertical com um sistema de pás que giram o eixo com a força da água.

Existem três tipos básicos de turbinas hidráulicas:

Turbina pelton

É uma turbina de impulso de alta pressão com eixo horizontal que funciona sem estar totalmente submersa. O impulsor possui uma série de lâminas côncavas (lâminas ou dentes) que são movidas por jatos de água.

Quanto mais jatos de água colidem com a turbina, mais energia ela vai gerar. Esse tipo de turbina é usado para quedas de água de 25 a 200 metros de altura e atinge eficiência de até 90%.

Turbina Francis

É uma turbina de reação de média pressão com eixo vertical e funciona totalmente submersa em água. O impulsor é composto por pás que são acionadas pela água conduzida por meio de um distribuidor.

Pode ser utilizado em cachoeiras de 20 a 200 metros de altura e atinge eficiência de 90%. É o tipo de turbina mais utilizado nas grandes hidrelétricas do mundo.

Turbina Kaplan

É uma variante da turbina Francis e, como esta, tem eixo vertical, mas o rotor é composto por uma série de pás ajustáveis. Tem uma reação de alta pressão e funciona totalmente submerso em água.

A turbina Kaplan é utilizada em cachoeiras de 5 a 20 metros de altura e sua eficiência pode chegar a 95%.

Alternador

O alternador é um dispositivo que tem a capacidade de transformar energia mecânica em energia elétrica por meio da indução eletromagnética. Assim, os pólos magnéticos (indutor) são girados dentro de uma bobina com pólos alternados de material condutor (por exemplo, cobre enrolado em ferro macio).

Seu funcionamento baseia-se no fato de que um condutor submetido por um certo tempo a um campo magnético variável, gera uma tensão elétrica.

Vantagem

A energia hidráulica é amplamente utilizada porque tem muitos aspectos positivos. Dentre eles podemos destacar:

É econômico

Embora no caso das hidrelétricas o investimento inicial seja alto, em termos gerais no longo prazo é energia barata. Isso se deve à sua estabilidade e baixo custo de manutenção.

Além disso, deve-se agregar a compensação econômica proporcionada por reservatórios com possibilidades para aqüicultura, esportes náuticos e turismo.

É renovável

Por estar baseada no ciclo da água, é uma fonte de energia renovável e contínua. Isso significa que ela não se esgota a tempo, ao contrário da energia dos combustíveis fósseis.

No entanto, sua continuidade depende do ciclo da água não ser alterado em uma determinada região ou globalmente.

Alto rendimento

A energia hidráulica é considerada muito eficiente e com alto desempenho que fica entre 90 a 95%.

Não é poluente

Esse tipo de energia utiliza uma fonte natural como a água e também não produz resíduos ou gases poluentes. Portanto, seu impacto no meio ambiente é baixo e é considerada uma forma de energia limpa.

Presença de reservatórios

Nos casos em que são construídos reservatórios para aproveitamento de energia hidrelétrica, estes apresentam uma série de benefícios adicionais:

- Permitem regular o fluxo do rio e evitar enchentes.
- Representam um reservatório de água para consumo humano, irrigação e uso industrial.
- Podem ser utilizadas como áreas de lazer e para a prática de esportes náuticos.

Desvantagens

Dependência da chuva

Uma limitação da geração de energia hidrelétrica é sua dependência do regime de chuvas. Portanto, em anos particularmente secos, o abastecimento de água pode diminuir drasticamente e o nível do reservatório é reduzido.

Quando o fluxo de água é reduzido, a geração de energia elétrica é menor. De forma que em regiões altamente dependentes de energia hidrelétrica possam ocorrer problemas de abastecimento.

Alteração do curso natural do rio

A construção de uma barragem em um rio altera seu curso natural, seu regime de cheias, sua diminuição (diminuição da vazão) e o processo de arraste de sedimentos. Portanto, ocorrem mudanças na biologia de plantas e animais aquáticos ou localizados nas proximidades do corpo d'água.

Por outro lado, a retenção de sedimentos na barragem altera a formação de deltas na foz dos rios e altera as condições do solo.

Perigo de quebra de barragem

Devido ao grande volume de água armazenado em algumas barragens hidrelétricas, uma ruptura no muro de contenção ou em encostas próximas pode causar acidentes graves. Por exemplo, durante o ano de 1963, o declive da barragem Vajont (agora em desuso) ocorreu na Itália e causou 2.000 mortes.

Formulários

Rodas gigantes e bombas d'água

A rotação de uma roda movida pela energia cinética da água torna possível transportar água de um poço raso ou canal para um canal ou reservatório elevado. Da mesma forma, a energia mecânica gerada pela roda pode acionar uma bomba hidráulica.

O modelo mais simples consiste em uma roda com lâminas com tigelas que coletam a água ao mesmo tempo em que são movidas pela corrente. Então, em sua rotação, eles jogam a água em um tanque ou canal.

Mills

Por mais de 2.000 anos, os gregos e romanos usaram energia hidráulica para mover moinhos para moer cereais. O giro da roda movida pelo fluxo de água ativa engrenagens que giram a pedra de moinho.

Forja

Outra aplicação antiga da trabalhabilidade baseada na energia hidráulica é seu uso para ativar os foles de forja em trabalhos de ferraria e metalurgia.

Fratura hidráulica

Na mineração e no petróleo, a energia cinética da água é usada para erodir a rocha, fraturá-la e facilitar a extração de diversos minerais. Para isso, são utilizados canhões de água pressurizados gigantescos, que atingem o substrato até a erosão.

Esta é uma técnica destrutiva para o solo e altamente poluente dos cursos de água.

Fracking

Uma técnica bastante polêmica e que vem ganhando força na indústria do petróleo é a fracking. Consiste em aumentar a porosidade do leito rochoso contendo óleo e gás para facilitar a sua remoção.

Isso é obtido através da injeção de grandes quantidades de água e areia em altas pressões, juntamente com uma série de aditivos químicos. A técnica tem sido questionada pelo alto consumo de água, poluindo solos e águas e causando mudanças geológicas.

Hidrelétricas

O uso moderno mais comum é para operar usinas geradoras de energia elétrica, as chamadas usinas hidrelétricas ou usinas hidrelétricas.

Exemplos de usinas hidrelétricas

As Três Gargantas

A Usina Hidrelétrica de Três Gargantas está localizada na província de Hubei, na China, no curso do rio Yangtze. A construção dessa barragem começou em 1994 e foi concluída em 2010, atingindo uma área alagada de 1.045 km² e uma capacidade instalada de 22.500 MW (megawatts).

A planta inclui 34 turbinas Francis (32 de 700 MW e duas de 50 MW) com uma produção anual de energia elétrica de 80,8 GWh. É a maior hidrelétrica do mundo em estrutura e potência instalada.

A Barragem das Três Gargantas tem conseguido controlar as inundações periódicas do rio que chegam a causar sérios danos à população. Também garante o abastecimento de energia elétrica da região.

No entanto, sua construção teve algumas consequências negativas, como o deslocamento de cerca de 2 milhões de pessoas. Também contribuiu para a extinção do golfinho do rio chinês (Lipotes vexillifer), em perigo crítico.

Itaipu

A hidrelétrica de Itaipu está localizada na divisa entre o Brasil e o Paraguai, no curso do rio Paraná. Sua construção teve início em 1970 e terminou em três etapas em 1984, 1991 e 2003.

A área alagada da barragem é de 1.350 km² e tem capacidade instalada de 14.000 MW. A usina inclui 20 turbinas Francis de 700 MW cada e tem uma produção anual de energia elétrica de 94,7 GWh.

Itaipu é considerada a maior hidrelétrica do mundo em termos de produção de energia. Contribui com 16% da energia elétrica consumida no Brasil e 76% no Paraguai.

Em relação aos impactos negativos, essa barragem afetou a ecologia das ilhas e do delta do rio Paraná.

Simon Bolivar (Guri)

A hidrelétrica Simón Bolívar, também conhecida como barragem de Guri, está localizada na Venezuela, no curso do rio Caroní. A construção da barragem teve início em 1957, uma primeira etapa foi concluída em 1978 e foi concluída em 1986.

A barragem de Guri possui área alagada de 4.250 km² e capacidade instalada de 10.200 MW. Sua planta inclui 21 turbinas Francis (10 de 730 MW, 4 de 180 MW, 3 de 400 MW, 3 de 225 MW e uma de 340 MW)

A produção anual é de 46 GWh e é considerada a terceira maior hidrelétrica do mundo em estrutura e potência instalada. A hidrelétrica fornece 80% da energia elétrica que a Venezuela consome e parte é vendida para o Brasil.

Durante a construção desta usina hidrelétrica, grandes áreas de ecossistemas da Guiana venezuelana foram inundadas, uma região com alta biodiversidade.

Hoje, devido à profunda crise econômica na Venezuela, a capacidade de produção desta planta foi significativamente reduzida.

Referências

1.- Hadzich M (2013). Energia hidráulica, Capítulo 7. Curso de formação técnica do Grupo PUCP. Tecnologias para casas e hotéis ecológicos. Pontifícia Universidade Católica do Peru.
2.- Raabe J (1985). Energia hidrelétrica. O projeto, uso e função de equipamentos hidromecânicos, hidráulicos e elétricos. Alemanha: N. p.
3.- Sandoval Erazo, Washington. (2018). Capítulo 6: Conceitos básicos de usinas hidrelétricas.https: //www.researchgate.net/publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Basicos_de_Centrales_Hidroelectricas
4.- Stickler CM, Coe MT, Costa MH, Nepstad DC, McGrath DG, Dias LCP, Rodrigues HO e Soares-Filho BS (2013). Dependência da geração de energia hidrelétrica de florestas na Bacia Amazônica em escalas local e regional. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110 (23), 9601–9606.
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