Definição da Potência Hidrelétrica em fase Preliminar

Usinas hidrelétricas tem sua potência definida com base em duas variáveis: a queda bruta e a vazão disponível. A função de potência pode ser expressa através de uma equação de fácil entendimento. Vejamos:

Em que P é a potência em W; p é a densidade da água (kg/m³); g é a aceleração da gravidade (m/s²); H é a queda líquida em m; Q é a vazão em m³/s e n é o rendimento do conjunto turbina e gerador. Uma análise imediata da fórmula revela que quanto maiores a vazão e a queda, maior será o potencial hidráulico. Esta será a equação apresentada em qualquer referência ou literatura técnica, e não envolve um tratamento matemático complicado. A determinação prática da vazão de projeto e da queda assume alguma complexidade, e depende de dados hidrológicos e planialtimétricos. Os níveis de precisão vão variar ao longo das etapas de desenvolvimento, mas é importante que exista uma certa assertividade desde a fase mais preliminar, que chamamos prospecção, para não incorrer em estimativas muito distantes da realidade.

A energia que pode ser gerada depende muito da queda, o que significa dizer que precisamos de um potencial hidráulico gravitacional. Para conhecer a queda bruta (desnível inicial, da qual deriva mais pra frente a chamada queda líquida, onde são deduzidas as perdas de carga) é necessário dispor de informações sobre o terreno (curvas de nível, N.A. em seções, pontos cotados), que serão extraídas do levantamento planialtimétrico. Este tipo de dado deverá ser obtido in loco, para estudos mais detalhados, e em fase de prospecção pode ser um dado secundário, com apoio de técnicas de geoprocessamento. A queda da usina corresponde, em termos práticos, ao desnível entre a cota de operação do reservatório (que chamamos N.A. Máximo Normal de operação) e a casa de força. A título ilustrativo, teremos uma situação próxima ao que é apresentado na Figura 1.

Figura 1. Representação da queda bruta, disponível no terreno, entre reservatório (N.A. Máx. Normal El. 910,0) e casa de força (El. 903,0). 

Existem variações de arranjos possíveis em aproveitamentos hidrelétricos, cuja seleção depende em boa parte das condições de terreno, além de outros aspectos técnicos, econômicos e ambientais, e no exemplo da figura 2 observamos um arranjo em derivação. Arranjos em derivação geralmente são usados quando o terreno oferece uma queda natural, e consistem em derivar uma parte da vazão disponível (vazão turbinada) por canal ou túnel, até o ponto de desnível, onde se encontra a casa de força. Outra alternativa é a locação da casa de força ao “pé de barragem”, quando não se deriva a água, e a queda é propiciada pela elevação do próprio reservatório. Boas condições são aquelas onde o relevo se apresenta em vales bem encaixados, permitindo trabalhar com maiores quedas (N.A. Máx. Normal) sem áreas de alague tão expressivas. Outra vantagem, ainda, é a eliminação do TVR (trecho ensecado ou trecho de vazão reduzida), que acontece no arranjo de derivação.

A segunda variável em que estamos interessados na função de potência é a vazão. O regime de vazões define a disponibilidade hídrica daquele trecho, por isso a caracterização hidrológica é tão importante. É essencial conhecer esta disponibilidade, pois o aproveitamento não deve conflitar com os usos múltiplos; tampouco faria sentido investir em estruturas num local com queda favorável, mas com vazão insuficiente. 

A definição da vazão de referência vem pautada em um robusto estudo hidrológico. De forma muito resumida, partimos da seleção de estações fluviométricas com séries longas de dados (preferencialmente 30 anos ou mais), o mais próximo possível do eixo de estudo; ou pelo menos em uma região hidrológica semelhante. As séries de dados conterão falhas de medições ou dados espúrios, que precisam ser preenchidos ou eliminados, com vistas a gerar uma série consistida de dados. Caracterizadas as estações, ainda será necessário transportar os dados para o eixo do aproveitamento, isto porque raramente ou nunca temos os dados exatamente no local desejado. Essa transferência pode ser feita por métodos de regionalização hidrológica, que estabelecem correlações com parâmetros como precipitação e área de drenagem, que influenciam as descargas. Ao fim do processo, se pode obter hidrogramas e curvas de permanência similares aos da figura 2.

Figura 2. A) Hidrograma de vazões mensais de um eixo de estudo (linha azul) e vazão média de longo termo (linha vermelha). B) Curva de permanência mensal.

Com base nestes estudos se obtém a vazão de referência que será usada no cálculo da potência do empreendimento.

A concepção de projetos de geração hidrelétrica é produto de uma série de estudos iniciados com a prospecção, inventário hidrelétrico, projeto básico e, por fim, projeto executivo. Na etapa de inventário se realizam estudos preliminares a nível de bacia hidrográfica, identificando o potencial hidroenergético da bacia como um todo, e gerando ao final a divisão de quedas. Após estas definições, é possível avançar para a fase de projeto básico, onde o nível de detalhe é bastante superior, a fim de fornecer informações suficientes para o licenciamento e futura instalação de um aproveitamento. Ao longo desse processo, restrições de ordem técnica, ambiental e econômica poderão ser observadas, orientando ajustes no projeto, sempre de forma a alcançar o ótimo dos aproveitamentos.