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Recursos hídricos para a geração de energia
Qual é o papel das centrais hidroeléctricas na geração de energia?
Grupo nº 317 Bruno Moreira (MIEEC) - 100503099 Catarina Santos (MIEEC) - 100503026 João Novais (MIEM) - 100504224 José Pereira (MIEEC) - 100503058 Nuno Nebeker (MIEEC) - 100503192
Supervisor: Professor J. Nuno Fidalgo
Monitora: Cristiana Ramos
Coordenador: José Magalhães Cruz
FEUP – Projecto FEUP 2010/2011
1
Preâmbulo
O presente relatório, realizado no âmbito do projecto FEUP 2010/2011 pela equipa nº 317 de
MIEEC, trata o tema dos recursos hídricos aplicados à produção de energia eléctrica.
Será feito inicialmente um enquadramento do panorama geral da produção de energia por
parte do Homem.
Apresenta-se a estrutura e funcionamento de uma central hidroeléctrica e uma fórmula
algébrica com o objectivo de calcular a energia produzida numa barragem por unidade de
tempo, com ênfase na importância da dimensão da barragem.
O relatório inclui uma análise das vantagens e desvantagens da implementação de estruturas
de produção de energia hidroeléctrica a vários níveis, ambiental, social, económico e político.
São apresentados vários gráficos e tabelas que oferecem uma visão da implementação da
energia hidroeléctrica a nível nacional e mundial, acompanhados de uma interpretação
objectiva.
Conclui-se que a energia hídrica tem vindo, assim, a assumir um papel fulcral na produção de
energia eléctrica e, além disso, no próprio desenvolvimento económico de países de todo o
mundo.
2
Índice
Preâmbulo ..................................................................................................................................... 1
Introdução ..................................................................................................................................... 3
Centrais hidroeléctricas................................................................................................................. 5
Funcionamento ......................................................................................................................... 5
Vantagens e desvantagens ............................................................................................................ 7
Económico ................................................................................................................................. 7
Ambiental .................................................................................................................................. 8
Social ......................................................................................................................................... 9
Político ....................................................................................................................................... 9
Dados estatísticos ....................................................................................................................... 10
Conclusão .................................................................................................................................... 13
Bibliografia .................................................................................................................................. 14
3
Introdução
Desde sempre o Homem aprendeu a utilizar os recursos da natureza de modo a poder obter
energia. É esta energia obtida através de diversos recursos naturais que faz com que a
indústria possa produzir toda a variedade de bens que as sociedades modernas utilizam, que
navios, carros e outros meios de transporte se movimentem, que ilumina ruas e residências,
que faz funcionar a televisão, o aquecedor e a máquina de lavar, em suma, que é
imprescindível ao Homem.
A primeira fonte de energia a ser utilizada pelo Homem foi o Sol, que servia para os iluminar e
aquecer, seguindo-se o fogo produzido a partir da fricção da madeira, que passou a constituir a
primeira fonte de energia controlável pelo Homem.
Com o passar do tempo passou-se também a usar a energia do vento e dos cursos de água, em
particular em diversos tipos de moinhos.
Contudo, com o desenvolvimento do conhecimento científico nos últimos séculos, ocorreu
algo que veio mudar radicalmente a forma de encarar a energia. Em primeiro lugar, a
compreensão de que uma forma de energia se pode transformar noutra forma de energia e
em segundo lugar, a electricidade ter-se tornado na forma mais comum de energia, pelo
menos nos países desenvolvidos, para uso doméstico e industrial.
Existem dois tipos de fontes de energia: não renováveis (como o petróleo, o gás natural e o
carvão), em que se consome a uma velocidade superior à da sua formação, e as renováveis
(como a hídrica, a eólica, a geotérmica), as quais são usadas a uma velocidade inferior à de
formação.
As energias não renováveis são actualmente as mais utilizadas, no entanto são também as
mais poluidoras e as que mais contribuem para o efeito estufa.
Devido ao seu uso em excesso, os combustíveis fósseis têm vindo a tornar-se cada vez mais
escassos, o que leva o Homem a ter que optar cada vez mais por outros tipos de fontes de
energia. Há, pois, que atribuir cada vez maior importância aos recursos renováveis, por serem
muito menos poluentes do que os combustíveis fósseis, não contribuírem para os teores
excessivos de CO2 na atmosfera e, obviamente, não correrem o risco de se esgotarem.
Um dos tipos de energia renovável é a energia hídrica, gerada a partir da energia potencial de
uma massa de água.
O uso da força das águas para gerar energia vem desde tempos remotos e começou com a
utilização das “noras” (rodas de água do tipo horizontal), usadas desde o século II a.C, que,
através da queda de água, produzem energia mecânica.
A partir do século XVIII, com o desenvolvimento tecnológico, surgiram os motores e a turbinas
hídricas, que possibilitaram a conversão de energia mecânica em electricidade, tendo surgido
as primeiras centrais hidroeléctricas em 1880, em Inglaterra.
4
Actualmente, a obtenção de electricidade a partir de energia hídrica é principalmente
realizada através de centrais hidroeléctricas que estão associadas a barragens, as quais, assim,
podem ter o duplo papel de reservatórios de água e centrais produtoras de energia. De toda
energia gerada no mundo, cerca de 15% é energia hidroeléctrica.
Em Portugal, a energia hídrica é o melhor exemplo de sucesso de utilização de energias
renováveis, sendo a energia renovável mais utilizada neste país.
Este relatório tem como principal objectivo explicar e evidenciar o papel das centrais
hidroeléctricas na geração de energia e a sua importância em Portugal. Pretende-se também
com este relatório caracterizar a posição das centrais hidroeléctricas no conjunto de outros
tipos de centrais geradoras e salientar a sua importância ambiental, social e financeira.
5
Centrais hidroeléctricas
Figura 1- esquema de perfil de uma central hidroeléctrica tradicional.
Numa central hidroeléctrica tradicional existem vários elementos funcionais, como se vê na
figura 1, um reservatório, o edifício da central, uma ou mais turbinas, um ou mais geradores,
condutas de admissão de água, linhas de alta tensão, partindo de um transformador e um
curso de água.
Funcionamento
À diferença de altura entre a superfície da água no reservatório e o nível das turbinas chama-
se cota. Quanto maior for a cota, maior energia potencial terá a água e, portanto, mais energia
mecânica recebem as pás das turbinas.
Essa energia é convertida em energia eléctrica por um gerador ligado ao eixo da turbina, como
se pode ver na figura 2.
6
Figura 2 – grupo gerador hidroeléctrico (U.S. Army Corps of Engineers 2005)
O funcionamento de um gerador baseia-se nos princípios descobertos por Faraday. Este
descobriu que quando um íman passa por um condutor, causa um fluxo de corrente. Num
gerador de grandes dimensões, electroímanes são montados no perímetro do rotor. O rotor
está ligado ao eixo da turbina e roda a uma velocidade constante. Ao rodar faz os
electroímanes passar por condutores, criando uma diferença de potencial nos terminais do
gerador.
É possível calcular a potência da corrente eléctrica gerada através da seguinte fórmula:
P=ρhrge (1)
P representa potência em Watt
ρ representa a densidade da água
h representa a cota em metros
r representa o caudal em metros cúbicos por segundo
g representa a aceleração da gravidade à superfície da Terra em metros por segundo
quadrado
e representa a eficiência da central
Por esta fórmula se percebe a importância da dimensão da barragem: quanto maior a cota e o
caudal, maior a potência.
7
Vantagens e desvantagens
Vantagens Desvantagens Não é necessário qualquer
combustível;
Não há oscilação do preço da matéria prima usada (embora variações no fluxo de água levem a variações na produção);
Sem emissões de CO2;
Longa vida;
Manutenção barata;
Ajuda na prevenção de inundações;
Dá-se retenção de água a nível regional que pode ser utilizada, se potável, para fins variados (rega, turismo, por exemplo).
Inundação de terrenos;
Alterações nos ecossistemas;
Construção de barragens em zonas tropicais pode levar à consequente libertação de metano;
Necessidade de recolocação das pessoas que viviam nas zonas inundadas;
Dispendiosa construção das barragens face às centrais térmicas.
Económico
Vantagens
O recurso à energia hídrica proporciona a nível económico um grande benefício. O custo de
operações de uma central hidroeléctrica é praticamente imune às alterações do preço dos
combustíveis fósseis, visto que não é necessária importação de matéria-prima. Assim, a maior
vantagem da sua utilização é a eliminação do custo dos combustíveis.
Centrais hidroeléctricas, também, tendem a ter uma vida mais económica que as da geração
dos combustíveis, observando centrais que continuam em produção passado 50 a 100 anos. O
custo laboral não é significativo, graças a uma escassa mão-de-obra devido à automação das
centrais, o que implica custos de operações ainda mais baixos.
Tudo leva a que a energia hidroeléctrica seja mais barata que a média nacional.
8
Ambiental
Vantagens
Emissão de gases
As centrais hidroeléctricas ajudam a diminuir o efeito de estufa no planeta, visto que no seu
método de produção de energia não é utilizada a combustão de combustíveis fósseis, não
produzindo e libertando dióxido de carbono (CO2) para a atmosfera. O impacto ambiental é
extremamente positivo relativo ao efeito de estufa em comparação com outras centrais
eléctricas.
Descargas de água
Centrais hidroeléctricas temporariamente libertam água de volta aos rios, mas não poluída
porque o processo de produção de electricidade não promove a sua poluição e não provoca,
também, uma quantidade substancial de resíduos sólidos.
Desvantagens
Danificação de ecossistemas e perda de território
A construção de centrais hidroeléctricas leva a construção de grandes reservatórios que
resulta na submersão de extensas áreas a montante da barragem, destruindo planícies muito
ricas e produtivas a nível agrícola e biológico, florestas fluviais, pradarias e pântanos. A
fragmentação de habitats em zonas circundantes provoca uma perda de terra significativa.
Os ecossistemas mais prejudicados são os aquáticos, a montante e a jusante das barragens. A
investigação de novos modelos de turbinas e centrais eléctricas que não prejudiquem tanto a
vida aquática é bastante activa. Cada vez mais é exigido e necessário a implementação desses
novos modelos na construção e manutenção de centrais.
A sua construção, também, danifica o ambiente a jusante do rio. A saída de água de uma
turbina contém um número mínimo de sedimentos que promove a erosão dos leitos do rio e
das suas margens. Tipicamente, a água expelida pelas turbinas é mais quente do que a pré-
construção, criando alterações na população de fauna aquática e impossibilita o processo
natural de congelamento de acontecer. Em alguns casos, o rio pode ser desviado, causando o
abandono do seu leito.
9
Emissões de metano
Nas regiões tropicais são encontrados impactos negativos nos reservatórios das centrais
hidroeléctricas por causa da abundante produção de metano. Isso é devido às plantas ao se
encontrarem em ambiente anaeróbico quando submersas, o que faz com que estas produzam
metano, um gás bastante prejudicial ao efeito de estufa. Apesar de as emissões representarem
o carbono existente na biosfera, o decaimento anaeróbico liberta grande quantidade de
metano para a atmosfera causando mais perigo se uma floresta se tivesse deteriorado
naturalmente.
Social
Vantagens
A criação de reservatórios fornece instalações para desportos aquáticos como também
atracções turísticas. A aquacultura em reservatórios tem-se tornado cada vez mais comum.
Barragens provocam alterações na vida da comunidade, visto que controlam processos de
irrigação, auxiliando a agricultura da região, e controla as cheias a jusante da barragem.
Desvantagens
A construção de centrais hidroeléctricas tem a necessidade de realojar as pessoas que habitam
no suposto lugar para o reservatório. Por vezes, não existe compensação que substitua
ligações culturais, ancestrais das pessoas aos locais que vão ser inundados. Também, podem
ser perdidos locais importantes a nível cultural e histórico.
Político
Desvantagens
As convencionais instalações de barragens hidroeléctricas contêm grandes volumes de água, o
que devido a má construção ou terrorismo pode resultar em consequências catastróficas para
o que se localiza a jusante da barragem. Por isso, barragens são alvos industriais em tempo de
guerra, sabotagem ou terrorismo, como a “Operation Chastise” na Segunda Guerra Mundial.
10
Dados estatísticos
São de seguida apresentados alguns dados estatísticos relativamente à produção de energia
hidroeléctrica.
Gráfico 1 – Evolução da produção da energia hidroeléctrica num panorama mundial (Index
Mundi 2003)
O gráfico 1 demonstra o grande crescimento que as fontes de energia hidroeléctricas têm tido
ao longo dos anos. De 1985 a 2003 verificou-se um crescimento de cerca de 33%, com uma
tendência a que este aumento continue ao longo dos anos com o actual foco no investimento
nas energias renováveis.
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003
Pro
du
ção
(1
01
5 B
tu)
Produção Mundial de Energia em Centrais Hidroeléctricas
11
Gráfico 2 – Evolução da Produção da Energia Eléctrica em Portugal (em GWh) de 1994 a 2008
(Pordata 2010)
Tal como representado no gráfico 2, a segunda maior fonte de energia em Portugal (atrás
apenas da prevalente energia térmica) é a energia hídrica. Verifica-se uma aposta crescente
em energias renováveis, com o aparecimento de forma relevante da energia eólica.
No entanto algo de interessante verifica-se com mais detalhe no gráfico 3: apesar do grande
investimento nesta área verificou-se uma quebra de produção em 2005, justificada por
factores ambientais: um ano de seca traduz num ano com menor produção através desta
fonte.
Gráfico 3 – Evolução da Produção da Energia Eléctrica em Portugal (em GWh) de 1994 a 2008
(Pordata 2010)
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
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02
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03
20
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Produção de Energia Eléctrica em Portugal (GWh)
Fotovoltaica
Térmica
Hídrica
Geotérmica
Eólica
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99
20
00
20
01
20
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20
03
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06
20
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Evolução da Produção de Energia Hídrica em Portugal (GWh)
Hídrica
12
Tabela 1 - Investimentos Hidroeléctricos em Portugal (EDP 2009)
Novos Aproveitamentos
Início de construção Entrada em serviço Potência (MW)
Baixo Sabor 2008 2013 170
Ribeiradio 2009 2013 74
Foz Tua 2010 2014 251
Fridão 2012 2016 231
Alvito 2012 2016 220
Reforços Potência Início de construção Entrada em serviço Potência (MW)
Picote II 2007 2012 246
Bemposta II 2008 2012 191
Alqueva II 2008 2012 240
Pedrogão 2009 2011 13
Venda Nova III 2010 2015 722
Salamonde II 2010 2015 199
Paradela II 2010 2016 311
Percebe-se assim que, tal como demonstrado na Tabela 1 se tem feito um grande esforço
financeiro para conseguir aumentar a produção de energia hídrica tanto em Portugal, como no
resto do mundo, embora este esforço seja sempre condicionado por factores externos.
13
Conclusão
Em Portugal tem-se investido cada vez mais na utilização de energias renováveis, sendo a
energia hídrica a segunda maior fonte energética, seguida da queima dos combustíveis fósseis.
Este acontecimento deve-se ao facto de o nosso país ter um grande número de cursos de água
(só o rio Tejo tem mais de 30 barragens ao longo do seu curso, no território português) e de
este tipo de energia ser mais barata do que outras como a energia nuclear, bem como menos
agressiva ambientalmente do que a energia térmica.
A energia hídrica tem como maior vantagem o facto de não emitir gases que contribuem para
o aumento do efeito estufa. Para além disto, muitos países vêem mais vantagens na sua
utilização, uma vez que não depende de combustíveis importados e as barragens podem ser
usadas para armazenar água que poderá, mais tarde, ser usado para fins agrícolas, domésticos
ou industriais.
A exploração dos rios para posterior produção de energia, embora seja bastante vantajosa,
causa sempre alguns impactos no ambiente: as barragens podem evitar a migração dos peixes,
inundar as áreas vizinhas e modificar o percurso natural dos rios até aos lagos.
A opinião relativamente à utilização de barragens hidroeléctricas é bastante controversa:
existem países, como os EUA, que concluíram que a melhor opção seria não se construírem
mais barragens e até mesmo remover algumas das já existentes, de modo a recriar as
condições primitivas dos rios para que os peixes possam migrar para os seus locais de desova;
noutros países, pelo contrário, valorizam-se mais os aspectos benéficos das barragens, sendo o
exemplo mais flagrante a recente construção da barragem das Três Gargantas, na China, a qual
constitui presentemente o maior projecto hidroeléctrico do mundo. A construção de grandes
barragens hidroeléctricas está também a ser planeada em muitos países no Sudeste da Ásia,
no Sul da América e em África.
A energia hidroeléctrica está a aumentar em países subdesenvolvidos (Ásia, África e América
Latina) e nas economias emergentes, em especial naqueles onde escasseiam reservas de
combustíveis fósseis.
A energia hídrica tem vindo, assim, a assumir um papel fulcral na produção de energia eléctrica
e, além disso, no próprio desenvolvimento económico de países de todo o mundo.
14
Bibliografia
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