Conheça a História da Usina Hidrelétrica e Entenda sua Importância no Brasil e no Mundo

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Usina hidrelétrica ou central hidrelétrica é um complexo de projetos de engenharia civil, elétrica e mecânica, compreendendo as áreas, hidráulica, estruturas de concreto, geotécnica, geológica, tecnologia do concreto, de computação, de controle, de automação, ambiental, florestal, de solos, de fundações, de materiais, de montagem eletromecânica etc.

Ou seja, um conjunto de obras e equipamentos, que tem por finalidade produzir energia elétrica através do aproveitamento do potencial hidráulico existente em um rio.

Quando surgiram tecnologias como; motor, dínamo, lâmpada e turbina hidráulica a partir do século XVIII, foi possível converter a energia mecânica em eletricidade.

Este artigo é sobre as usinas hidrelétricas, continue lendo e saiba mais sobre:

História das Usinas Hidrelétricas

Usinas Hidrelétricas no Brasil

Como Funcionam as Usinas Hidrelétricas

Componentes das Usinas Hidrelétricas

Tamanhos e Tipos de Instalações Hidrelétricas

Vantagens e Desvantagens das Usinas Hidrelétricas

Sustentabilidade

História das Usinas Hidrelétricas

Desde os tempos antigos a água tem sido utilizada como fonte de energia para mover moinhos que produziam farinha de grãos. É possível que os primeiros moinhos tenham surgido por volta do século IV ac.

No final do século XIX, o gerador elétrico foi desenvolvido podendo ser acoplado com a hidráulica.

Em 1878, foi desenvolvido o primeiro plano de energia hidrelétrica do mundo em Cragside, em Northumberland, Ingletrra por William Armstrong. Foi usado para alimentar uma única lâmpada de arco em sua galeria de arte.

A fábrica da Rua Vulcan, primeira usina hidrelétrica de Thomas Edison, entrou em operação em 30 de setembro de 1882. É considerada a primeira central hidrelétrica para servir um sistema de clientes privados e comerciais da América do Norte. Assim como uma das primeiras do mundo. Localizada em Appleton nos Estados Unidos, tinha uma produção de 12,5 quilowatts.

Cataratas do Niágara

Usina hidrelétrica de Niágara Falls
By Internet Archive Book Images [CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)], via Wikimedia Commons
As cataratas do Niágara têm sido reconhecidas como uma fonte potencial de energia há muito tempo.

O primeiro esforço conhecido para aproveitar o potencial das águas foi em 1759; quando Daniel Joncaire construiu um pequeno canal acima das quedas para alimentar sua serraria.

Augustus e Peter Porter compraram esta área e todas as quedas Americanas em 1805 do governo do estado de Nova York. Eles ampliaram o canal original para fornecer energia hidráulica para o seu moinho de curtimento.

Em 1853, a Niágara Falls Hidraulic Power and mining company foi contratada e construiu os canais que seriam usados para gerar eletricidade.

As Hidrelétricas do Niágara

Em 1881, sob a licença de Jacob F. Schoellkopf foi construída a primeira usina hidrelétrica do rio Niágara. A água caiu por 26 metros, gerando eletricidade de corrente continua, correndo pela maquinaria dos moinhos locais e iluminou algumas das ruas da vila.

A Niágara Falls Power company, descendente da firma Schoellkopf, formou a Cataract Company; liderada por Edward Dean Adams tinha a intenção de expandir a capacidade de energia das cataratas do Niágara.

Em 1890, uma comissão internacional de Niágara de cinco membros liderada por Sir William Thomson, entre outros cientistas destacados; deliberou sobre a extensão da capacidade hidrelétrica de Niágara com base em dezessete propostas. Mas não conseguiu selecionar o melhor projeto combinado de desenvolvimento e distribuição hidráulica.

Em 1893, a Westinghouse Eletric foi contratada para projetar um sistema para gerar corrente alternada em Niágara Falls e três anos depois dessa CA em larga escala o sistema de energia foi criado (ativado em 26 de agosto de 1895).

A Casa do Transformador da Usina Adams continua sem um marco do sistema original. De lá para cá o modelo é praticamente o mesmo, com mudanças apenas nas tecnologias que permitem maior eficiência e confiabilidade do sistema.

Usina Hidrelétricas no século XX

No inicio do século XX, pequenas centrais hidrelétricas foram construídas por empresas comerciais. Em 1920, 40% da energia produzida nos Estados Unidos era hidrelétrica.

Foi promulgada a lei federal Power Act; que criou a Comissão Federal de Energia para regular as usinas hidrelétricas em terras e águas federais. Conforme as centrais elétricas se tornaram maiores, suas barragens associadas desenvolveram propósitos adicionais para incluir controle de inundações, irrigação e navegação.

Surgiu a necessidade do financiamento federal para o desenvolvimento em larga escala e corporações de propriedade federal foram criadas.

As usinas hidrelétricas cresceram ao longo do século XX, sendo referidas como carvão branco por seu poder e abundância.

Em 1936, a maior usina hidrelétrica do mundo foi a Hoover Dam, gerava 1.345 MW (Megawatts). A barragem de Itaipu inaugurada em 1984, na America do Sul, produzindo 14 mil MW foi a maior até 2008; quando foi superada pela represa chinesa de Três Gargantas com 22.500 MW.

Usinas Hidrelétricas no Brasil

Usina hidrelétrica da Itaipu Brasil Paraguai
By Martin St-Amant (S23678) (Own work) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons
O Brasil é o terceiro maior produtor hidroelétrico do mundo, ficando atrás apenas de Canadá e Estados Unidos. Assim como também ocupa a terceira posição em potencial hidráulico ficando atrás de Rússia e China.

As usinas hidrelétricas são as principais fontes de energia consumida no Brasil. São responsáveis por cerca de 90% da energia elétrica produzida.

No Brasil a energia elétrica é produzida através de dois grandes sistemas integrados. O sistema Sul, Sudeste, Centro Oeste e o sistema Norte, Nordeste que correspondem respectivamente por 70% e 25% da produção.

Existem mais de 100 usinas hidrelétricas em funcionamento, além de outras que estão em construção ou com permissão para serem construídas. Algumas das principais são:

Itaipu: uma usina hidrelétrica binacional construída no rio Paraná entre Brasil e Paraguai, operante desde 1984.

Belo Monte: localizada no rio Xingu, estado do Pará, tem capacidade de 11.233 Mw.

São Luis do Tapajós: localizada no rio Tapajós, estado do Pará, tem capacidade de 8.381 Mw.

Tucuruí: localizada no rio Tocantins, estado do Pará, com capacidade de 8.370 Mw.

Santo Antônio: localizada no rio Madeira, estado de Rondônia tem capacidade de 3.300 Mw.

Ilha Solteira: localizada no rio Paraná, estado de São Paulo tem capacidade de 3.444 Mw.

Paulo Afonso: localizada no rio São Francisco, estado da Bahia, tem capacidade de 2.462 Mw.

Como Funcionam as Usinas Hidrelétricas

Usina Hidrelétrica

Uma usina hidrelétrica gera energia elétrica a partir da queda de água ou da água corrente.

As usinas hidrelétricas funcionam através da pressão da água que gira a turbina, transformando a energia potencial em energia cinética. Depois de passar pela turbina o gerador transforma a energia cinética em energia elétrica.

Um sistema elétrico de energia é constituído por uma rede interligada por linhas de transmissão (transporte). Nessa rede estão ligadas as cargas (pontos de consumo de energia) e os geradores (pontos de produção de energia). Uma central hidrelétrica é uma instalação ligada à rede de transporte que injeta uma porção da energia pelas cargas.

Existem quatro métodos de geração de energia hidrelétrica.

Usina Hidrelétrica Convencional ou barragens

A maior parte da energia gerada por hidrelétricas provem deste método.

Nele a energia potencial da água represada conduz uma turbina e gerador de água. A energia elétrica produzida é transmitida para uma ou mais linhas de transmissão interligadas a rede de distribuição.

No entanto, nem toda a energia da linha de transmissão é aproveitada, pois parte dela se perde na forma de calor.

A água represada passa por um duto que a leva até a turbina. No gerador a energia mecânica é transformada em energia elétrica e passa para as linhas de transmissão.

Armazenamento Bombeado

Este método produz eletricidade para atender altas demandas de energia.

Quando a demanda elétrica é baixa, o excesso da capacidade de geração é usado para bombear água ao reservatório superior. Quando a demanda é maior a água é liberada de volta ao reservatório inferior através de uma turbina, gerando eletricidade.

Usina Hidrelétrica de Rio

São aquelas com pouca ou nenhuma capacidade de reservatório. Apenas a água que vem rio acima está disponível para geração nesse momento e qualquer excesso de oferta passa sem uso.

Considerada ideal para riachos ou rios, que podem sustentar um fluxo mínimo ou aqueles regulados por um lago ou reservatório a montante.

Usina Hidrelétrica de Maré

É uma forma de energia hidrelétrica que converte a energia obtida das marés em formas úteis de energia, principalmente eletricidade.

Apesar de ainda não ser amplamente utilizada, a energia das marés tem potencial para geração de eletricidade futura.

Este tipo de usina hidrelétrica faz uso do aumento diário e queda de água do oceano devido às marés; tais fontes são altamente previsíveis. Se as condições permitem a construção de reservatórios, também podem ser despacháveis para gerar energia durante períodos de alta demanda.

A energia de marés é viável em um número relativamente pequeno de locais ao redor do mundo.

A energia de marés pode ser classificada em quatro métodos de produção, são eles; gerador de fluxo de maré, barragem de maré, dinâmica de energia da maré e lagos de maré.

Componentes das Usinas Hidrelétricas

Turbina de água de Usina Hidrelétrica
Por U.S. Army Corps of Engineers (Vector image: Gothika, Edit: Bammesk) [Public domain undefined Public domain], undefined
Os principais componentes das usinas hidrelétricas são quase sempre os mesmos.

Uma barreira ou represa para armazenar a água que irá gerar a energia. Na maioria das vezes aproveitada para atividades de lazer da população; assim como, é também o maior responsável pelo impacto ambiental de uma usina.

O canal, por onde passa a água, assim que a porta ou comporta de controle é aberta, enviando água para o duto que a levará as turbinas.

Turbinas, geralmente do tipo Francis (com várias laminas curvas em um disco que ao serem atingidas pela água, giram em torno de um eixo) e que fazem cerca de 90 rotações por minuto.

Geradores, eles possuem uma série de imãs que produzem corrente elétrica.

Transformador elevador, que aumenta a tensão da corrente elétrica até um nível adequado à sua condução aos centros de consumo.

Fluxo de saída ou tubo de sucção, que conduz a água da turbina até a jusante do rio.

Linhas de transmissão, que distribuem a energia gerada.

Tamanhos e Tipos de Instalações Hidrelétricas

Sala de Turbinas da Usina Hidrelétrica
By Wikisanchez (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons

Grandes instalações

As usinas hidrelétricas em grande escala costumam ser vistas como as maiores instalações de produção de energia no mundo. Algumas instalações hidrelétricas são capazes de gerar mais do dobro das capacidades instaladas das maiores centrais nucleares atuais.

Não existe uma definição oficial para o alcance da capacidade das grandes centrais hidrelétricas. Instalações com capacidade de mais de algumas centenas de megawatts geralmente são consideradas grandes instalações hidrelétricas.

Pequeno

Pequena hidrelétrica é o desenvolvimento de energia em uma escala que serve uma pequena comunidade ou planta industrial. A definição de um pequeno projeto vária, mas uma capacidade de geração de até 10 megawatts é geralmente aceita como limite máximo.

Como geralmente possuem reservatórios mínimos e trabalhos de construção civil; são vistos como tendo um impacto ambiental relativamente baixo em comparação a grandes usinas hidrelétricas.

Micro

É um termo usado para instalações de energia hidrelétrica que normalmente produzem até 100 kw de potência. Essas instalações podem fornecer energia para uma comunidade isolada ou pequena ou, às vezes, estão conectadas a redes de energia elétrica.

Os sistemas micro hidrelétricos complementam os sistemas de energia fotovoltaica porque, em muitas áreas, o fluxo de água disponível é mais alto no inverno quando a energia solar é mínima.

Pico

É um termo usado para geração de energia hidrelétrica com menos de 5 kw. É útil em comunidades pequenas e remotas que requerem apenas uma pequena quantidade de eletricidade.

Normalmente é executada pelo rio, o que significa que as barragens não são usadas. Os tubos desviam parte do fluxo, deixando cair um gradiente através da turbina antes de retornar ao fluxo.

Subterrâneo

Geralmente utilizada em grandes instalações. Usa uma grande diferença de altura natural entre duas vias navegáveis, como uma cachoeira ou lago de montanha. Um túnel subterrâneo é construído para levar água do reservatório alto para sala de geração construída em uma caverna subterrânea perto do ponto mais baixo do túnel de água. Uma cauda horizontal leva água para a via navegável inferior.

Vantagens e Desvantagens das Usinas Hidrelétricas

Usina Hidrelétrica Três Gargantas China
By Source file: Le Grand Portage Derivative work: Rehman (File:Three_Gorges_Dam,_Yangtze_River,_China.jpg) [CC BY 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0)], via Wikimedia Commons
A água é um recurso renovável, fato que mantém a sustentabilidade das hidrelétricas. Entretanto esse potencial pode ser garantido apenas se forem adotadas políticas e ações de preservação de nascentes e rios.

Vantagem da Usina Hidrelétrica

São flexíveis; uma vez que as estações podem ser ampliadas e aceleradas rapidamente para se adaptar as mudanças na demanda de energia. O tempo de iniciação das turbinas hidrelétricas é de alguns minutos.

Potência de baixo custo e alto valor; a principal vantagem das hidrelétricas convencionais com reservatórios é sua capacidade de armazenar água a baixo custo, despachando a mais tarde como eletricidade limpa de alto valor.

As estações hidrelétricas têm longa vida econômica, algumas ainda estão em serviço após 50-100 anos. O custo da mão de obra operacional também é baixo, pois são automatizadas e tem poucos funcionários durante a operação normal.

Adequadas para aplicações industriais; projetos hidrelétricos dedicados são muitas vezes construídos para fornecer quantidades substanciais de eletricidade necessária para atender empresas industriais específicas.

Redução das emissões de CO2; por não utilizarem combustível na geração de energia, as hidrelétricas não produzem dióxido de carbono.

O dióxido de carbono é produzido inicialmente durante a construção do projeto e um pouco de metano é distribuído anualmente por reservatórios. Normalmente a hidroelétrica possui as mais baixas emissões de gases do efeito estufa do ciclo de vida para a geração de energia.

Outros usos do reservatório; podem ser usados de outras formas como esportes aquáticos, assim como aquicultura e agricultura de apoio a irrigação.

Desvantagem da Usina Hidrelétrica

Dano e perda de terra do ecossistema

Os grandes reservatórios associados as hidrelétricas tradicionais resultam na submersão de extensas áreas a montante das barragens. Podem destruir florestas biologicamente ricas e produtivas de terras baixas e rios, terras pantanosas e gramados.

Interrompe o fluxo de rios, podendo prejudicar os ecossistemas locais. A construção de grandes barragens e reservatórios muitas vezes envolve o deslocamento de pessoas e animais selvagens.

Perda de água por evaporação

Onde há múltiplos usos de reservatórios, como abastecimento de água, recreação e controle de inundações, toda a evaporação do reservatório é atribuída à geração de energia.

Sedimentação e escassez de fluxo

Quando a água flui, tem a capacidade de transportar partículas mais pesada que ela mesma. Logo, isso tem um efeito negativo sobre as barragens e suas centrais elétricas, principalmente aquelas em rios ou dentro de áreas de captação com alta enxertia.

Alguns reservatórios podem ficar cheios de sedimentos e inúteis ou excedentes durante uma inundação e falhar.

Mudanças na quantidade de fluxo do rio serão correlacionadas com a quantidade de energia produzida por uma barragem. Fluxos mais baixos reduzirão a quantidade de armazenamento em um reservatório, reduzindo a quantidade de água que pode ser usada para hidroeletricidade. O resultado pode ser a falta de energia em áreas que dependem da hidrelétrica.

Emissões de metano (de reservatório)

Os impactos positivos mais baixos são encontrados em regiões tropicais que produzem quantidades substanciais de metano.

Devido ao material vegetal em decomposição em áreas inundadas em um ambiente anaeróbio é formando o metano, um gás de efeito estufa.

Deslocalização

Outra desvantagem é a necessidade de deslocalizar as pessoas onde os reservatórios estão planejados.

Riscos de falha

A criação de uma barragem em um local geologicamente inadequado pode ser catastrófica. Como as grandes instalações convencionais de hidrelétricas represam grandes volumes de água, uma falha na construção, desastres naturais ou sabotagem pode ser catastrófica, para assentamentos e infraestrutura rio abaixo.

Sustentabilidade

Usina Hidrelétrica de Nevada
Florian.Arnd at the German language Wikipedia [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons
Assim como acontece com outras formas de atividade econômica, os projetos hidrelétricos podem ter um impacto ambiental e social, positivo e negativo. Porque a construção de uma barragem e usina juntamente com a confiscação de um reservatório, cria certas mudanças sociais e físicas.

A área inundada para formação do reservatório a montante e o barramento do rio, em alguns casos, podem prejudicar pontualmente a fauna e a flora. Todavia os problemas ambientais, na maioria dos casos, são equacionados satisfatoriamente.

Projetos hidrelétricos também podem ter consequências indiretas contribuindo para o aquecimento global. Os reservatórios acumulam material vegetal, que depois se decompõe emitindo metano em explosões irregulares.

Existem várias ferramentas para avaliar o impacto dos projetos hidrelétricos:

  • O novo projeto de energia hidrelétrica deve ser submetido a uma avaliação de impacto ambiental e social.
  • O protocolo de avaliação da sustentabilidade da hidrelétrica é uma metodologia usada para auditar o desempenho de um projeto hidrelétrico em mais de vinte assuntos ambientais, sociais, técnicos e econômicos.
  • O relatório final da comissão mundial sobre barragens descreve um quadro de planejamento de projetos de água e energia destinados a proteger as pessoas afetadas com a barragem e ao meio ambiente. Garantindo que os benefícios da barragem sejam distribuídos de forma mais equitativa.
  • Os padrões de desempenho ambiental e social da IFC definem as responsabilidades dos clientes da IFC em gerenciar seus riscos ambientais e sociais.
  • As políticas de salvaguarda do banco mundial são usadas pelo banco para identificá-la, evitar e minimizar danos as pessoas e ao meio ambiente causados por projetos de investimento.
  • Os princípios do equador são um quadro de gerenciamento de riscos, adotado pelas instituições financeiras, para determinar, avaliar e gerenciar riscos ambientais e sociais em projetos.

Imagens Pixabay e Wikimedia Commons.

Referências:

  1. Wikipédia Usina Hidrelétrica disponível neste link.
  2. Toda Matéria, Usina Hidrelétrica disponível neste link.
  3. Caroline Faria, Infoescola, Usina Hidrelétrica disponível neste link.
  4. Caroline Faria, Infoescola, Como Funciona Uma Hidrelétrica disponível em: <https://www.infoescola.com/fisica/como-funciona-uma-hidreletrica/>.
  5. Resumo Escolar, Hidrelétricas no Brasil disponível em: <https://www.resumoescolar.com.br/geografia-do-brasil/hidreletricas-no-brasil/>.
  6. Wikipédia, Hydroeletricity disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Hydroelectricity>.
  7. Wikipédia, Hydropower disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Hydropower>.
  8. Paz Tavares, Geografia Crítica na Veia, Maiores Usinas Hidrelétricas do Brasil disponível em: <https://geografiacriticanaveia.wordpress.com/2015/10/20/a-maiores-usinas-hidreletricas-do-brasil/>.
  9. Wikipédia, Vulcan Street Plant disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Vulcan_Street_Plant>.
  10. Wikipédia, Niagara Falls disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Niagara_Falls>.