O que é energia hidrelétrica?

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Entenda como a hidrelétrica transforma a energia da água em eletricidade, suas vantagens e desvantagens

O que é energia hidráulica (hidrelétrica)?

Energia hidrelétrica é o aproveitamento da energia cinética contida no fluxo de massas de água. A energia cinética promove a rotação das pás das turbinas que compõem o sistema da usina hidrelétrica para, posteriormente, ser transformada em energia elétrica pelo gerador do sistema.

O que é uma usina hidrelétrica (ou central hidrelétrica)?

Uma usina hidrelétrica é um conjunto de obras e equipamentos usados para produzir energia elétrica a partir do aproveitamento do potencial hidráulico de um rio. O potencial hidráulico é dado pela vazão hidráulica e pela concentração dos desníveis existentes ao longo do curso do rio. Os desníveis podem ser naturais (cachoeiras) ou construídos na forma de barragens ou através do desvio do rio de seu leito natural para a formação de reservatórios. Existem dois tipos de reservatórios: os de acumulação e os a fio d’água. Os de acumulação normalmente são formados nas cabeceiras dos rios, em locais que ocorrem altas quedas d’água e consistem em grandes reservatórios com grande acúmulo de água. Os reservatórios a fio d’água aproveitam a velocidade das águas do rio para gerar eletricidade, assim geram o mínimo ou nenhum acúmulo de água.

As usinas, por sua vez, são classificadas de acordo com os seguintes fatores: altura da queda d’água, vazão, capacidade ou potência instalada, tipo de turbina usada no sistema, barragem e reservatório. O local de construção dá a altura da queda e a vazão, e estes dois fatores determinam a capacidade ou potência instalada de uma usina hidrelétrica. A capacidade instalada determina o tipo de turbina, a barragem e o reservatório.

Segundo relatório da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), o Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétrica (Cerpch, da Universidade Federal de Itajubá – Unifei) define a altura da queda d’água como baixa (até 15 metros), média (15 a 150 metros) e alta (superior a 150 metros). No entanto, essas medidas não são consensuais. O porte da usina também determina o tamanho da rede de distribuição que levará a energia elétrica gerada até os consumidores. Quanto maior a usina, maior é a tendência dela estar distante dos centros urbanos. Isso exige a construção de grandes linhas de transmissão que muitas vezes atravessam estados e causam perdas de energia.

Como funciona uma usina hidrelétrica?

Para a produção de energia hidrelétrica é necessário que exista a integração da vazão do rio, do desnível to terreno (naturais ou não) e quantidade de água disponível.

O sistema de uma usina hidrelétrica é composto por:

Barragem

A finalidade da barragem é interromper o ciclo natural do rio, criando um reservatório de água. O reservatório tem outras funções além de estocar água, como criação do desnível de água, a captação de água em volume adequado para a produção de energia e a regulação da vazão dos rios em períodos de chuva e de estiagem.

Sistema de captação (adução) de água

Compostos por túneis, canais e condutos metálicos que levam a água até a casa de força.

Casa de força

Nesta parte do sistema se encontram as turbinas conectadas a um gerador. O movimento das turbinas converte a energia cinética do movimento da água em energia elétrica por meio dos geradores.

Existem vários tipos de turbina, sendo pelton, kaplan, francis e bulbo os principais. A turbina mais apropriada para cada usina hidrelétrica depende da altura de queda e vazão. Um exemplo: a bulbo é usada em usinas a fio d’água por não exigir a existência de reservatórios e ser indicada para baixas quedas e altas vazões.

Canal de fuga

Após passar pelas turbinas, a água é restituída ao leito natural do rio pelo canal de fuga.

O canal de fuga está localizado entre a casa de força e o rio e seu dimensionamento depende do tamanho da casa de força e do rio.

Vertedouro

O vertedouro permite a saída de água sempre que o nível do reservatório ultrapassa os limites recomendáveis. Isso normalmente ocorre em períodos de chuva.

O vertedouro é aberto quando a produção de energia elétrica é prejudicada porque o nível de água está acima do nível ideal; ou para evitar o transbordamento e consequentemente as enchentes no entorno da usina, o que é possível de acontecer em períodos muito chuvosos.

Impactos socioambientais causadas pela implantação de usinas hidrelétricas

A primeira hidrelétrica foi construída no final do século XIX em um trecho das cataratas do Niágara, entre os Estados Unidos e o Canadá, quando o carvão era o principal combustível e o petróleo ainda não era muito utilizado. Anteriormente a isso, a energia hidráulica era usada apenas como energia mecânica.

Apesar da energia hidrelétrica ser uma fonte de energia renovável, o relatório da Aneel, aponta que sua participação na matriz elétrica mundial é pequena e está se tornando ainda menor. O desinteresse crescente seria um resultado às externalidades negativas decorrentes da implantação de empreendimentos de tal porte.

Um impacto negativo da implantação de grande empreendimentos hidrelétricos é a mudança no modo de vida das populações que residem na região, ou no entorno do local, onde será implantada a usina. É importante também ressaltar que essas comunidades muitas vezes são grupos humanos identificados como populações tradicionais (povos indígenas, quilombolas, comunidades ribeirinhas amazônicas e outros), cuja sobrevivência depende da utilização dos recursos provenientes do local no qual vivem, e que possuem vínculos com o território de ordem cultural.

Energia hidrelétrica é limpa?

Apesar de ser considerada por muitos como uma fonte de energia “limpa” por não estar associada à queima de combustíveis fósseis, a geração de energia hidrelétrica contribui para a emissão de dióxido de carbono e metano, dois gases potencialmente causadores do aquecimento global.

A emissão de gás carbônico (CO2) se dá devido à decomposição das árvores que permanecem acima do nível d’água dos reservatórios, e a liberação de metano (CH4) ocorre pela decomposição da matéria orgânica presente no fundo do reservatório. A medida em que a coluna d’água aumenta, a concentração de metano (CH4) também aumenta. Quando a água atinge as turbinas da usina, a diferença na pressão causa a liberação do metano para a atmosfera. O metano também é liberado no percurso da água pelo vertedouro da usina, quando, além da mudança de pressão e temperatura, a água é pulverizada em gotas.

O CO2 é liberado pela decomposição de árvores mortas acima d'água. Diferente do metano, apenas parte do CO2 emitido é considerado impactante, pois grande parte do CO2 é cancelada por meio de absorções que ocorrem no reservatório. Como o metano não é incorporado aos processos de fotossíntese (apesar de poder ser lentamente transformado em gás carbônico) é considerado mais impactante sobre o efeito estufa, neste caso.

O Projeto Balcar (Emissões de Gases de Efeito Estufa em Reservatórios de Centrais Hidrelétricas) foi criado para investigar a contribuição dos reservatórios artificiais para a intensificação do efeito estufa por meio da emissão de dióxido de carbono e metano. Os primeiros estudos do projeto foram executados ainda na década de 90, em reservatórios da região amazônica: Balbina, Tucuruí e Samuel. A região amazônica foi focada no estudo por ser caracterizada por massiva cobertura vegetal, e portanto, maior potencial de emissão de gases por decomposição da matéria orgânica. Posteriormente, no final dos anos 90, o projeto também incluiu Miranda, Três Marias, Segredo, Xingo e Barra Bonita.

Segundo o artigo que Dr. Philip M. Fearnside, do Instituto de Pesquisas da Amazônia, publicou sobre as emissões de gases na Usina de Tucuruí, no ano de 1990, as emissões de gases do efeito estufa (CO2 e CH4) da usina variaram entre 7 milhões e 10 milhões de toneladas naquele ano. O autor faz uma comparação com a cidade de São Paulo, que emitiu 53 milhões de toneladas de CO2 provenientes de combustíveis fósseis no mesmo ano. Ou seja, somente Tucuruí seria responsável pela emissão do equivalente de 13% a 18% da emissão de gases do efeito estufa da cidade de São Paulo, valor significativo para uma fonte de energia considerada por muito tempo como “livre de emissões”. Acreditava-se que, com o passar do tempo, a matéria orgânica sofreria total decomposição e, como consequência, deixaria de emitir esses gases. No entanto, os estudos do grupo Balcar mostraram que ocorre a alimentação do processo de produção de gases, através da chegada de novos materiais orgânicos trazidos pelos rios e pelas chuvas.

Perda de espécies de plantas e animais

Sobretudo na região amazônica, que possui alta biodiversidade, há a inevitável morte de organismos da flora do local onde é formado o reservatório. Quanto aos animais, ainda que seja feito o planejamento minucioso na tentativa de retirar os organismos, não se pode assegurar que todos os organismos que compõem o ecossistema sejam salvos. Além disso, o represamento impõe mudanças nos habitats do entorno.

Perda de solo

O solo da área inundada se tornará obrigatoriamente inutilizável para outras finalidades. Isso se torna uma questão central sobretudo em regiões predominantemente planas, como a própria região amazônica. Uma vez que a potência da usina é dada pela relação entre a vazão do rio e o desnível do terreno, se o terreno apresenta baixo desnível, uma maior quantidade de água deverá ser armazenada, o que implica em uma área extensa de reservatório.

Mudanças da geometria hidráulica do rio

Os rios tendem a possuir um equilíbrio dinâmico entre descarga, velocidade média da água, carga de sedimentos e morfologia do leito. A construção de reservatórios afeta esse equilíbrio e, consequentemente, causa mudanças de ordem hidrológica e sedimentar, não apenas no local de represamento, mas também na área do entorno e no leito abaixo da represa.

Capacidade nominal x quantidade real produzida

Outra questão a ser levantada é que existe uma diferença entre a capacidade nominal instalada e a quantidade real de energia elétrica produzida pela usina. A quantidade de energia produzida depende da vazão do rio.

Dessa forma, de nada adianta instalar um sistema com potencial de produzir mais energia do que a vazão do rio pode proporcionar, como ocorreu no caso da hidrelétrica de Balbina, instalada no rio Uatumã.

Potência firme da usina

Outro ponto importante a ser levado em conta é o conceito de potência firme da usina. Segundo a Aneel, a potência firme da usina é a máxima produção contínua de energia que poderia ser obtida, ao considerar como base a sequência mais seca registrada no histórico de vazões do rio no qual está instalada. Essa questão tende a se tornar cada vez mais central frente aos períodos de estiagem cada vez mais frequentes e severos.

Energia hidrelétrica no Brasil

O Brasil é o país que detém o maior potencial hidrelétrico do mundo. De maneira que 70% dele está concentrado nas bacias do Amazonas e do Tocantins/Araguaia. A primeira hidrelétrica brasileira de grande porte a ser construída foi a Paulo Afonso I, em 1949, na Bahia, com potência equivalente a 180 MW. Atualmente, a Paulo Afonso I compõe o complexo hidrelétrico Paulo Afonso, composto pelo total de quatro usinas.

Balbina

A usina hidrelétrica de Balbina foi construída no rio Uatumã, no Amazonas. Balbina foi construída para abastecer a demanda de energia de Manaus. A previsão era a instalação de 250 MW de capacidade, por meio de cinco geradores, com potências de 50 MW cada. No entanto, a vazão do rio Uatumã proporciona uma produção média de energia anual muito mais baixa, algo em torno de 112,2 MW, dos quais pode-se considerar como potência firme apenas 64 MW. Considerando-se que há uma perda aproximada de 2,5% durante a transmissão da eletricidade da usina até o centro consumidor, apenas 109,4 MW (62,4 MW em potência firme). Valor muito inferior à capacidade nominal de 250 MW.

Itaipu

A usina hidrelétrica de Itaipu é considerada a segunda maior usina do mundo, com 14 mil MW de potência instalada, e perde apenas para Três Gargantas, na China com 18,2 mil MW. Construída no rio Paraná e localizada na divisa entre Brasil e Paraguai, é uma usina binacional, pois pertence aos dois países. A energia gerada por Itaipu que abastece o Brasil corresponde a metade de sua potência total (7 mil MW) o que equivale a 16,8% da energia consumida no Brasil, e a outra metade da potência é usada pelo Paraguai e corresponde a 75% do consumo de energia paraguaio.

Tucuruí

A usina de Tucuruí foi construída no rio Tocantins, no Pará e tem capacidade instalada equivalente a 8.370 MW.

Belo Monte

A usina hidrelétrica de Belo Monte, localizada no município de Altamira, sudoeste do Pará e inaugurada pela presidenta Dilma Roussef, foi construída no rio Xingu. A usina é a maior hidrelétrica 100% nacional e a terceira maior do mundo. Com capacidade instalada de 11.233,1 Megawatts (MW). Isso significa carga suficiente para atender 60 milhões de pessoas em 17 Estados, o que representa cerca de 40% do consumo residencial de todo o País. A capacidade de produção instalada equivalente é de 11 mil MW, ou seja, a maior usina em potência instalada do país, tomando o lugar da usina de Tucuruí como a maior usina 100% nacional. Belo Monte também é a terceira maior hidrelétrica do mundo, atrás de Três Gargantas e Itaipu, respectivamente.

Muitas questões giram em torno da construção da usina de Belo Monte. Apesar de ser a da potência instalada de 11 mil MW, segundo o Ministério do Meio Ambiente, a potência firme da usina corresponde a 4,5 mil MW, ou seja, apenas 40% da potência total. Por ser construída em uma região amazônica, a Belo Monte tem o potencial de emitir grandes concentrações de metano e gás carbônico. Tudo isso sem contar o grande impacto na vida de populações tradicionais e grande impacto na fauna e na flora. Outro fator é que sua construção beneficia majoritariamente empresas, e não a população. Aproximadamente 80% da eletricidade é destinada à empresas do Centro-Sul do país.

Aplicabilidade

Apesar dos impactos socioambientais negativos apontados, a energia hidrelétrica possui vantagens em comparação com fontes de energia não renováveis como os combustíveis fósseis. Apesar de contribuir para a emissão de metano e dióxido de enxofre, as hidrelétricas não emitem ou liberam outros tipos de gases tóxicos, como os que são exalados por termelétricas - muito nocivos ao ambiente a à saúde humana.

No entanto, as desvantagens das hidrelétricas em comparação a outras fontes de energia renovável como a solar e a eólica, que apresentam impactos ambientais reduzidos em comparação aos impactos causados pelas hidrelétricas, ficam mais evidentes. O problema ainda é a viabilidade das novas tecnologias. Uma alternativa para reduzir os impactos relacionas à produção de energia hidrelétrica é a construção de pequenas centrais hidrelétricas, que dispensam a construção de grandes reservatórios.

Além disso, as barragens têm uma vida útil em torno de 30 anos, o que coloca em questão sua viabilidade à longo prazo.

O estudo "Energia hidrelétrica sustentável no século 21", realizado pela Universidade Estadual de Michigan, chama atenção para o fato de que as grandes represas hidrelétricas poderão se tornar uma fonte de energia ainda menos sustentável diante das mudanças climáticas.

É preciso considerar os verdadeiros custos da energia hidrelétrica, não somente os econômicos e de infra-estrutura, mas também os custos sociais, ambientais e culturais.


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