Além da água ser a fonte da vida, é também uma preciosa fonte de energia – e a usina hidrelétrica é a prova disso. Sua função é transformar a energia cinética das correntes em energia elétrica, sendo a principal fonte de energia no Brasil.
Atualmente, segundo a Secretaria de Planejamento e Desenvolvimento Energético do Ministério de Minas e Energia, o Brasil tem 83% de sua matriz elétrica originada de fontes renováveis.
Entre elas, destacam-se a energia hidrelétrica (com 63,8% da produção), a energia eólica (9,3%), a biomassa e o biogás (8,9%) e a energia solar centralizada (1,4%).
Esse protagonismo na produção de energia tem seus prós e seus contras. Mas antes de falarmos disso, entenda mais sobre como funciona umas ma usina hidrelétrica e descubra como colocar sua energia no lugar certo com a Serena Energia!
O que é uma usina hidrelétrica?
Uma usina hidrelétrica, também conhecida como central hidroelétrica ou usina hidroelétrica, é uma instalação industrial que usa a força das águas para gerar energia elétrica. Por essa razão, ela está entre as formas mais limpas de geração de energia no mundo, contribuindo para a redução das emissões de gases de efeito estufa quando comparada às termelétricas.
Essa obra é o resultado do esforço combinado de várias áreas do conhecimento humano, resultando em um projeto complexo que pode levar anos para ser concluído. As principais delas são:
- Engenharia civil: responsável pelo projeto e construção das estruturas físicas, como reservatórios de água, represas, túneis e tubulações;
- Engenharia elétrica: cuida dos sistemas de geração de energia, transmissão e distribuição. Eles também desenvolvem novas técnicas e estudos para otimizar a eficiência na conversão de energia;
- Engenharia ambiental: avalia e propõe medidas para reduzir o impacto ambiental da construção das usinas hidrelétricas, de modo a proteger a biodiversidade e os recursos naturais;
- Engenharia mecânica: projeta e mantém os componentes mecânicos e as turbinas que convertem a energia da água em eletricidade, zelando pela segurança e eficiência dos sistemas;
- Hidrologia: estuda as bacias hidrográficas para mapear o comportamento das águas e ajuda a prever o volume de água disponível para gerar energia. Também monitoram as mudanças climáticas que possam interferir no cotidiano da usina;
- Geologia: avalia a estabilidade da região onde a usina será construída e determina se o solo e as rochas são viáveis para suportar grandes estruturas.
Essas e muitas outras áreas, como a economia e o direito, colaboram para que as usinas hidrelétricas funcionem de forma eficiente e sustentável.
Como é composta uma usina hidrelétrica?
Para compor uma usina hidrelétrica, são necessárias várias partes e estruturas essenciais que trabalham em conjunto entre si. Assim, esses mecanismos são responsáveis por capturar a energia potencial da água e transformá-la em eletricidade utilizável. A estrutura da usina é composta, basicamente, por:
Barragem ou represa
Responsável por armazenar grandes volumes de água e regular o fluxo. Isso é feito represando e acumulando água de um rio ou reservatório, gerando uma diferença de altura (queda d’água) que exerce pressão e movimenta as turbinas quando liberada. Existem diversos tipos de barragens, como as de gravidade, arco e terra, cada uma adequada a diferentes condições geológicas.
Sistema de captação e adução de água
Grandes comportas que regulam a quantidade de água a ser direcionada para geração. Essa água passa por uma tubulação chamada de conduto forçado ou túnel de adução, atingindo as turbinas com velocidade e pressão controladas. O dimensionamento correto desse sistema é fundamental para maximizar a eficiência energética.
Casa de força
Ela abriga a turbina, o gerador e outros equipamentos responsáveis pela conversão da energia cinética da água em energia elétrica. Nela também estão os transformadores, que ajustam a energia gerada para uma transmissão adequada para a rede elétrica. A casa de força pode estar localizada a céu aberto ou subterrânea, dependendo do projeto.
Vertedouro
É uma estrutura fundamental na usina, pois controla o nível de água no reservatório e evita que a represa transborde. Esse mecanismo é importante especialmente durante períodos de chuvas intensas ou quando a capacidade do reservatório se aproxima do limite. O vertedouro funciona como uma válvula de segurança do sistema.
Canal de fuga
Estrutura que devolve a água ao leito do rio após passar pelas turbinas. Seu projeto deve considerar a velocidade de saída da água para evitar erosão e impactos no ecossistema aquático.
Subestação elevadora
Aumenta a tensão da energia gerada para níveis adequados à transmissão de longa distância, reduzindo as perdas elétricas no processo.
Agora que você já conhece as partes componentes de uma usina hidrelétrica, resta entender como elas funcionam juntas para gerar energia de forma contínua e confiável.
Como uma usina hidrelétrica funciona? Veja o passo a passo!
O ponto mais importante sobre o funcionamento das usinas hidrelétricas é a pressão da água. É essa força que gira a turbina para transformar a energia potencial gravitacional em energia cinética, ou seja, a energia que está relacionada ao movimento de um objeto.
Para entender melhor como funciona uma usina hidrelétrica, vamos dividir o processo em passos.
Passo 1: Acúmulo de água no reservatório
Primeiramente, a barragem ou represa é utilizada para interromper o curso normal do rio e assim formar o reservatório de água.
Além de armazenar a água, esse reservatório serve para a formação do desnível necessário para a captação da água em volume adequado, gerando pressão.
Outra função da barragem é a regularização da vazão dos rios em períodos de chuva ou estiagem. Esse processo é feito por meio do vertedouro. Em épocas de chuva, os vertedouros são fundamentais para evitar enchentes na região do entorno da usina.
Passo 2: Liberando e controlando o fluxo da água
Quando a demanda por eletricidade aumenta, a água armazenada no reservatório é liberada através de uma comporta. Conforme ela desce pelo sistema de captação e adução da usina, aumentando a pressão da água e também a sua força.
Já os sistemas de captação e adução da água são formados por túneis, canais ou condutos metálicos que levam a água até a casa de força. Nela, ficam a caixa espiral, as turbinas, o gerador, o sistema de excitação e o regulador de velocidade.
Passo 3: Turbinas e geradores
Quando a pressão da água é aumentada, sua força faz com que as turbinas girem em alta velocidade. As turbinas são formadas por uma série de pás ou hélices ligadas a um eixo conectado ao gerador. Existem diferentes tipos de turbinas hidráulicas, como as Francis, Kaplan e Pelton, cada uma adequada a diferentes condições de queda e vazão.
Com esse movimento rotacional das turbinas (que pode variar de 60 a 600 rotações por minuto, dependendo do tipo), ocorre a conversão da energia cinética em energia elétrica no gerador por meio de indução eletromagnética. Depois de passar pela turbina, a água é devolvida ao leito natural do rio pelo canal de fuga, mantendo o ciclo hidrológico.
Passo 4: Transmissão da energia
Depois que a energia elétrica é transformada pelo gerador, ela é distribuída inicialmente em média tensão (geralmente de 13,8 kV a 25 kV). A energia então passa pelos transformadores elevadores que aumentam a tensão para níveis de transmissão (69 kV, 138 kV, 230 kV, 500 kV ou até 765 kV) antes de seguir pelas linhas de transmissão.
Elas transportam essa energia até subestações rebaixadoras, onde a tensão elétrica é ajustada para níveis adequados de distribuição e consumo. Essa elevação de tensão é necessária para minimizar as perdas de energia durante o transporte por longas distâncias.
Assim, a energia gerada pela usina hidrelétrica pode finalmente atender residências, indústrias, comércios e outros segmentos da sociedade, percorrendo milhares de quilômetros desde sua geração até o consumidor final.
Passo 5: Controle da geração
Por último e não menos importante, a usina hidrelétrica conta com um sistema automatizado para ajustar as comportas, o fluxo da água e a operação das turbinas e geradores. Isso permite uma operação eficiente e segura na usina, com monitoramento em tempo real de todos os parâmetros operacionais.
Além disso, é possível evitar desperdícios e preservar recursos hídricos, assim atendendo a demanda de energia com precisão.
Por essa razão, a eficiência de uma usina hidrelétrica aumenta conforme o avanço tecnológico da sociedade, incorporando inteligência artificial, Machine Learning (inteligência artificial que permite o aprendizado de máquinas para melhoria de desempenho e precisão) e análise preditiva para otimizar a geração.
Tipos de usinas hidrelétricas
A capacidade de geração de energia e a estrutura utilizada para armazenar a água é o que diferencia uma usina da outra. Existem três tipos principais de usinas, de acordo com essa classificação estabelecida pela ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica):
1. Usinas de Grande Potência (UHE)
Possuem grande capacidade de geração de energia, geralmente acima de 100 MW (megawatts). Esse tipo de usina é responsável pela maior parte da produção de energia hidrelétrica nacional, com algumas ultrapassando 10.000 MW de capacidade instalada. As UHEs possuem grandes reservatórios que permitem a regularização plurianual da vazão, garantindo geração constante mesmo em períodos de seca.
2. Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH)
Apesar de sua capacidade menor para a produção de energia (entre 5 MW e 30 MW), elas são igualmente importantes. Isso é especialmente verdadeiro quando o assunto é o abastecimento local de energia e a geração distribuída. As PCHs têm processo de licenciamento simplificado e menor impacto ambiental, sendo uma alternativa viável para o desenvolvimento energético regional.
3. Centrais Geradoras Hidrelétricas (CGH)
São as menores usinas, com capacidade de até 5 MW. Geralmente construídas em regiões onde não é possível fazer grandes barragens, elas se aproveitam do fluxo contínuo de energia que flui naturalmente de um rio ou córrego, o que acaba causando um impacto ambiental mínimo. Também são conhecidas como usinas a fio d’água.
Classificação por Tipo de Queda
As usinas também podem ser classificadas pela altura de queda da água:
- Alta queda: acima de 150 metros, utilizando turbinas tipo Pelton;
- Média queda: entre 50 e 150 metros, utilizando turbinas Francis;
- Baixa queda: abaixo de 50 metros, utilizando turbinas Kaplan ou bulbo.
Vantagens da usina hidrelétrica
Por ser uma das fontes de energia renovável mais usadas no mundo, a energia hidrelétrica traz um conjunto de vantagens diversas. Algumas delas são:
- Energia limpa e sustentável: assim como a radiação solar e o vento, a água é um recurso renovável e inesgotável (desde que bem administrado). As usinas hidrelétricas geralmente não promovem a queima de combustíveis fósseis, o que contribui para a preservação do meio ambiente;
- Custo de produção baixo: apesar do alto investimento inicial para construir todo o complexo da usina, o valor atribuído à manutenção e operação é considerado baixo;
- Capacidade de armazenamento: é possível equilibrar a oferta de energia tanto durante o dia quanto durante a noite, pois a energia acumulada nos reservatórios pode ser liberada conforme a necessidade;
- Segurança no abastecimento: as usinas hidrelétricas são conhecidas por oferecer energia de forma estável e confiável, especialmente as de grande porte. Possuem baixo índice de interrupções e alta disponibilidade operacional (acima de 95%).
- Múltiplos usos do reservatório: além da geração de energia, os reservatórios podem ser utilizados para controle de cheias, abastecimento de água, irrigação, navegação, piscicultura e recreação, gerando benefícios socioeconômicos adicionais;
- Longa vida útil: com manutenção adequada, as usinas hidrelétricas podem operar por mais de um século, representando um investimento de longo prazo para a sociedade;
- Flexibilidade operacional: a capacidade de aumentar ou reduzir rapidamente a geração de energia permite que as hidrelétricas atuem como reguladoras do sistema elétrico, compensando variações na demanda.
O futuro da energia hidrelétrica no Brasil
O Brasil possui cerca de 260 GW de capacidade hidrelétrica identificada, com apenas 100 GW explorados.
A tendência é construir usinas a fio d’água, que minimizam grandes reservatórios e impactos ambientais. Paralelamente, a repotenciação de usinas existentes permite aumentar a geração sem novas obras, incorporando digitalização, inteligência artificial e manutenção preditiva.
Além das hidrelétricas, as fontes eólica e solar vêm ganhando espaço e passam a desempenhar um papel tão estratégico quanto a geração hidrelétrica na matriz energética brasileira. Logo, com a demanda por energia projetada para dobrar até 2050, o planejamento transparente e consciente dos recursos hídricos é essencial para garantir o desenvolvimento sustentável.
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