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Serão apresentados aqui os resultados de diferentes Projetos de Extensão e disciplinas do Curso de Engenharia de Energia da Universidade Federal de Alagoas (UFAL). Projeto de Hidrelétricas Reversíveis, Disciplina Máquinas de Fluxo 2024.2

Usinas Reversíveis Brasil

# 1. Usina de Vigário

Nova Pagina

As Usinas Hidrelétricas são empreendimentos de engenharia projetados para a geração de energia elétrica, cujo funcionamento fundamenta-se na conversão da energia mecânica, proveniente do movimento das pás dos rotores acoplados aos geradores, em energia elétrica. Esse processo é viabilizado pelo aproveitamento do fluxo de água, que, ao movimentar as turbinas, transforma a energia potencial e cinética da água em energia mecânica, a qual é subsequentemente convertida em energia elétrica pelos geradores. Dessa forma, as hidrelétricas desempenham um papel estratégico no sistema energético, contribuindo para o suprimento de eletricidade de maneira sustentável e renovável, alinhando-se às demandas globais por fontes de energia limpa e de baixo impacto ambiental.

No entanto, a geração de energia hidrelétrica enfrenta desafios significativos em períodos de escassez hídrica, como a falta de chuvas, que reduzem o volume dos reservatórios e, consequentemente, a capacidade de produção de energia. Para atender a picos de demanda energética, especialmente em momentos críticos de baixa disponibilidade hídrica, tornou-se essencial a implementação de soluções complementares que garantam a estabilidade e a confiabilidade do sistema elétrico. Nesse contexto, as Usinas Hidrelétricas Reversíveis emergem como uma tecnologia de grande relevância.

As Usinas Hidrelétricas Reversíveis, também conhecidas como sistemas de bombeamento, possuem a capacidade de operar em dois ciclos distintos: no modo gerador, produzem energia elétrica a partir da queda d'água, como uma usina convencional; e no modo bombeamento, utilizam energia elétrica excedente da rede para bombear água de um reservatório inferior para um superior, armazenando-a como energia potencial. Esse mecanismo permite que a água seja reutilizada para geração de energia em momentos de alta demanda, funcionando como uma "bateria hidráulica" que auxilia na regulação do sistema elétrico e no equilíbrio entre oferta e consumo.

Além de sua função estratégica no armazenamento de energia, as Usinas Hidrelétricas Reversíveis contribuem para a integração de fontes intermitentes de energia renovável, como a eólica e a solar, ao sistema elétrico. Ao armazenar energia em períodos de baixa demanda e liberá-la em momentos de pico, essas usinas ajudam a mitigar a variabilidade inerente a essas fontes, promovendo maior eficiência e segurança energética. Dessa forma, elas representam uma solução tecnológica avançada e essencial para a transição energética global, alinhando-se aos objetivos de sustentabilidade e redução de emissões de gases de efeito estufa.

No panorama brasileiro, existem atualmente quatro usinas reversíveis instaladas: Pedreira, Traição e Edgard de Souza, localizadas no estado de São Paulo, e Vigário, no estado do Rio de Janeiro. Contudo, essas instalações não operam em sua total capacidade como usinas reversíveis, uma vez que sua função principal foi reorientada para o controle de cheias em rios. Essa mudança de prioridade fez com que o uso dessas estruturas para geração de energia elétrica caísse em desuso.

A usina de Vigário (88MW) integra o complexo Lajes, no estado do Rio de Janeiro, embora possua unidades reversíveis, sua função principal é bombear a água do rio Paraíba do Sul para o reservatório de Vigário, permitindo a geração na usina de Nilo Peçanha.

A Usina Elevatória de Vigário é uma importante obra da engenharia hidráulica no Brasil, tendo um papel essencial no abastecimento de água e na estabilidade energética da Região Metropolitana do Rio de Janeiro. Inaugurada em 1952, com suas turbinas instaladas em 1953, foi uma das pioneiras no mundo a empregar turbinas reversíveis em grande escala, precedida apenas pelas usinas de Pedreira e Traição, em São Paulo. Sua principal finalidade é transferir as águas do Rio Paraíba do Sul para a Bacia do Rio Guandu, assegurando o fornecimento de água para milhões de pessoas e contribuindo para o equilíbrio do sistema elétrico da região.

A usina foi concebida como parte do Complexo de Lages, um conjunto de obras hidrelétricas e sistemas de transposição desenvolvido pela Light Energia a partir do início do século XX. O Complexo de Lages começou a ser construído em 1903, com o objetivo de aproveitar os recursos hídricos das bacias dos rios Piraí, Paraíba do Sul e Guandu para geração de energia e abastecimento público.

A necessidade de Vigário surgiu devido ao crescimento populacional e industrial do Rio de Janeiro, que demandava maior segurança hídrica. A solução encontrada foi a transposição de parte das águas do Rio Paraíba do Sul, que possui um regime mais estável, para o Rio Guandu, responsável pelo abastecimento da capital fluminense.

Quando entrou em operação, a Usina de Vigário se tornou a terceira usina reversível do mundo, seguindo os projetos pioneiros de Pedreira (1929) e Traição (década de 1920), ambos em São Paulo. Suas quatro turbinas reversíveis, instaladas em 1953, representaram um avanço significativo na engenharia hidráulica da época, permitindo não apenas o bombeamento de água, mas também a geração de energia em momentos de necessidade.

Características Principais

• Tipo de usina: Bombeamento puro (prioriza a transferência de água, mas pode operar como geradora em casos excepcionais).
• Número de turbinas: 4 unidades reversíveis do tipo Francis.
• Potência individual: 22 MW (total de 88 MW em modo bombeamento).
• Vazão máxima: 188,8 m³/s.
• Altura de elevação: 36 metros (do reservatório de Santana para o de Vigário).

As turbinas utilizadas em Vigário são do tipo Francis reversível, um projeto que permite que a mesma máquina funcione como bomba hidráulica, ou seja, quando há excesso de energia na rede, a usina consome eletricidade para bombear água do reservatório inferior (Santana) para o superior (Vigário). E turbina geradora, que em situações de alta demanda, a água pode ser liberada para gerar energia, embora esse modo seja menos utilizado devido ao foco no abastecimento hídrico. Esse sistema foi inovador na época e serviu de modelo para outras usinas no Brasil e no mundo.

# 2. Usina Elevatória de Pedreira

A Usina Elevatória de Pedreira está localizada sobre o Rio Pinheiros na cidade de São Paulo e integra o complexo hidroelétrico Henry Bordem. Sendo ela responsável pelo bombeamento da água do rio até o reservatório Billings para produção de energia elétrica na usina de Henry Borden.

Foi inaugurada em 1939, sendo pioneira no mundo ao operar uma máquina reversível radial, produzida pela Voith Hydro. Esta primeira unidade tinha capacidade de 18 m³/s e potência de 6.430 HP.

Esse sistema demonstra que é possível bombear água para o Reservatório Billings ou gerar energia. A empresa em operação atual é a Empresa Metropolitana de Água e Energia S.A (EMAE).

Atualmente, o sistema opera somente diante de alta na vazão do rio Tietê ou canal Pinheiros para controle de enchentes.

A usina de Pedreira é composta por 08 unidades geradoras, sendo 07 delas reversíveis e 01 que atua somente no bombeamento. Todas elas são munidas de rotores tipo Francis, sendo estas turbinas movidas a motores síncronos.

O conjunto de turbinas bombeiam 395 m³/s, com um recalque de 25 m, chegando à potência de 100 MW.

Algumas destas máquinas possuem 42 m³/s e 18.100 HP de potência, dados utilizados como base para cálculo de perdas de carga nas tubulações, descrito no capítulo posterior