António Patrício Betâmio de Almeida, Instituto Superior

"Água: a fonte de energia renovável mais antiga em Portugal"
Maturidade e Actualidade
de uma tecnologia
(uma breve introdução)
A. Betâmio de Almeida
1 de Outubro, 2013
A Força da Água
- pode ser destruidora.
MADEIRA – 20 de Fevereiro de 2010
A Força da Água
- pode ser útil, controlada (e quantificável).
SUPORTE Teórico FUNDAMENTAL
A fórmula básica (e simples)
da Mecânica dos Fluidos
Potência Hidráulica Teórica
P = γQH
γ
- peso volúmico
H- desnível topográfico
ou
desnível piezométrico
Q
H (queda)
Moinhos
Azenhas
Quintela, 1996
Água e Energiauma relação muito, muito antiga através da roda
Roda de Perachora – Grécia (300 A.C.).
Moagem de trigo em farinha.
Aproveitamento da força da água em escoamento
durante a Idade Média – Moinhos e Azenhas.
A força da água para satisfação de necessidades do
Homem- força e energia mecânica.
Teoria Matemática das Turbomáquinas
Equação de Leonardo Euler (1764)
O momentum angular transmitido ao veio da turbina é igual à diferença
entre os binários, à entrada e à saída da roda, do momentum da massa de água
que se escoa (por unidade de tempo), com o caudal Q, através da turbina.
Desenvolvimento Científico
Século XIX inovações cruciais
Energia mecânica
-Desenvolvimento das turbinas (Claude Burdin) hidráulicas modernasconversores de energia hidráulica em energia mecânica de rotação
1849- turbina Francis
1866/1879- turbina Pelton
Energia eléctrica
(1913- turbina Kaplan)
-Desenvolvimento dos geradoresconversores de energia mecânica de rotação
em energia eléctrica – 1880...
Em 1891, Nikola Tesla patenteou o
primeiro alternador tecnicamente viável
de “alta frequência” (15 kHz).
Seculo XIX
as primeiras “fábricas”hidroeléctricas
Na Inglaterra, primeira (?) instalação de transformação da energia
hidráulica em energia eléctrica: instalação de um dínamo Siemens, em
Cragside, Northumberland (1870)- ligado a uma única lâmpada.
Nos Estados Unidos, Appleton, Wisconsin (1882), 12,5 kW.
The World's First Hydroelectric
Power Plant Began Operation
September 30, 1882
CREDIT: “Dam across river, Appleton, Wis.,” 1880-1889. Prints and Photographs Division,
Library of Congress. Reproduction Number LC-D4-4783 DLC.
Nos E.U.A. (1895)
Projecto de Nikola Tesla
(10 x 5000 hp)
Em Portugal
Em 1894 entrou em funcionamento no rio Corgo a primeira
central hidroeléctrica (Poço Agueirinho) de serviço público
do país (120 kW), que alimentou a rede local (Vila Real) de
distribuição de electricidade.
Em Espanha (1901):
“El Porvenir”- rio Douro (Zamora)
“Molino de S. Carlos – Bacia do Ebro
(Zaragoza)
R.C.Moreira,2009
Em Portugal (Açores)
1899 - primeiro centro produtor de electricidade (100CV) para
iluminação pública de Vila Franca do Campo:
a “Fábrica da Vila” (Eng. José Cordeiro).
(L. M. Martins, A Luz e as Trevas, 2012)
Vulnerabilidade reconhecida
A variabilidade das afluências coloca em RISCO a
garantia de fornecimento.
Necessidade de regularização/reserva.
Verão de 1905, ilha de S. Miguel
- crise no sistema instalado
por falta de caudal na ribeira.
- construção de uma câmara de carga.
Custo: 26 contos de reis.
(L. M. Martins, A Luz e as Trevas, 2012)
GRANDES ALBUFEIRAS – GRANDES BARRAGENS
Um século de desenvolvimento/crescimento
- 1951
Barragem de Castelo do Bode
(159 MW)
Volume da albufeira: 902 hm3
Cahora-Bassa – Moçambique (1974)
Altura – 160 m
Potência – 2000 MW
A. Abecasis Manzanares
(Prof. do IST)
Three Gorges- China (22 500 MW)
Itaipu- Brasil/Paraná (14 000 MW)
Um século de desenvolvimento/crescimento
Com impactes (controvérsia e sérias dificuldades) e medidas de
mitigação (na construção, exploração e abandono):
- sociais (inundação e deslocação, perda de património);
- ambientais (alteração no regime fluvial, retenção de sedimentos, erosão a jusante...);
- nos ecossistemas e na biodiversidade (alteração na migração de peixes);
- na qualidade da água;
- na emissão residual de gases com efeito de estufa.
IMPACTES MAIS DAS BARRAGENS DO QUE DA HIDRO ELECTRICIDADE !
MICRO
PEQUENA
GRANDE
CENTRAL EM AMBIENTE URBANO
Central da Terça e de Staª Quitéria (IGA)
Inserida no sistema de abastecimento de água
da cidade do Funchal
Vantagens provadas pela maturidade
Água: recurso endógeno e renovável (menos combustivel fóssil)
Tecnologia robusta: vida útil longa
Absorção de avanços técnicos vindos de outros sectores (engenharia civil, equipamentos,
automatização, monitorização, informática e computação, mitigação de impactes, segurança e gestão
do risco)
Eficiência, fiabilidade dos sistemas e da exploração
Capacidade de grande armazenamento de energia (eficácia e eficiência)
Poluição reduzida e controlável
Participação positiva no “mecado de carbono”
Associação a outros fins ou utilizações da água
Uma (outra) Grande Inovação,
em 1890...na Itália e na Suíça
Central de Letten (1890)
1ª central reversível(Zurich)
Conversão energética nos dois sentidos:
Modo de Turbinamento e Modo de Bombeamento
CENTRAIS COM ARMAZENAMENTO POR BOMBAGEM
Turbinas (geradores)+ bombas (motores)
Turbina-bombas (gerador/motor)-1930...
1º “boom” 1970-1990
(energia nuclear...)
2º “boom”, “no presente”
Armazenamento de electricidade(a diferentes níveis)
Componente-chave do sistema de electricidade do futuro
Principal justificação:
Penetração (>20-25%) de fontes de produção intermitentes
(eólica e solar) – aproveitamento de energia excedentária
e
Aproveitamento de diferenças tarifárias (bomba e turbina)
Nivelamento de carga com energia excedentária
Reserva de potência
Melhoria da eficiência do sistema eléctrico nos diferentes níveis
(geração, transmissão, distribuição , consumo)
Melhor fiabilidade /estabilidade/qualidade da rede eléctrica
(frequência, tensão, potência reactiva, atenuar saturação)
Gestão de mercados de electricidade
Capacidade mundial de armazenamento de electricidade
Mais de 100 novas centrais com bombagem (74 GW)- 2020
Sistemas Hidráulicos Reversíveis
os mais adequados para o armazenamento de energia em grande.
Na Europa
170 centrais (45 GW)- 2011
60 novas centrais (27 GW)- 2020
1º “boom” 1970-1990
(energia nuclear...)
2º “boom” “no presente”
The european Market for Pumped-Storage Power Plants,ecoprog (2011)
Taum Sauk Pumped Storage (1963) - EUA
Uma nova perspectiva na paisagem...
Volume= 5 370 000 m3
2x225 MW
Sistemas isolados (ilhas)
Em Portugal
Socorridos – Madeira
(2007)
P(bombas)=15 MW
H= 470 m
Madeira- 1 (funcionamento)+1 (concurso)+1 (projecto)
Açores- 1 (projecto)+...
I- Grupos com velocidade variável
1970...- desenvolvimentos da electrónica
1990 – 1ª central de vel. variável (Yagisawa - Japão)
- carga de bombagem ajustável (dupla regulação)
- melhoria na eficiência da operação
( melhor rendimento, controlo da cavitação e menor submergência)
- menores pulsações de pressão
- melhor comportamento dinâmico (rapidez)
- possibilidade de controlo de potência activa
em modo de bombagem,
possibilidade de controlo de potência reactiva
- melhoria da qualidade da rede
Exemplo: sistemas híbridos isolados (ilhas)
II-Curto circuito hidráulico
Grupos ternários ou grupos separados
- compensação de energia disponível
na rede, para bombagem
- mais flexibilidade/eficiência
na regulação carga-frequência
- boa resposta dinâmica
(e.g. dezenas de alterações/dia)
- regulação (+-) 100% de potência
Alteração climática- uma incerteza no planeamento
Diminuição ou aumento do escoamento superficial??
• O presente:
- inovação acelerada, mas condicionamentos relevantes;
- um grande factor condutor : a economia, variabilidades e aleatoriedades;
os mercados de electricidade e as estratégias associadas (complexas);
- a interligação, a regulação/desregulação.
Incertezas mas muitas oportunidades em muitas partes do mundo!
HIDRÓLICA??
Muito Obrigado
([email protected])