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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

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

# (3) Usina Hidrelétrica Reversível Cortes - La Muela I

1. Decrição

A usina hidrelétrica reversível La Muela I faz parte do Complexo Hidrelétrico Cortes-La Muela, localizado no município de Cortes de Pallás (Valência), na bacia do rio Júcar. É uma instalação de bombeamento reversível que aproveita o desnível entre o reservatório superior de La Muela e o reservatório inferior de Cortes representado pelo rio Júcar para gerar e armazenar energia elétrica.

2. Histórico

O complexo Cortes-La Muela , localizado em um impressionante cânion de águas azuis profundas do Rio Júcar, iniciou a construção de sua primeira fase em 1983. Naquela época, foram instaladas a represa Cortes, com altura de 116 metros e tipo arco-gravidade, com potência instalada de 290 MW, e La Muela I, comissionada em 1989, que tem 634 MW de potência em turbinação e 549 MW em bombeamento. O reservatório superior ocupa mais de um milhão de metros quadrados tendo 23 Hm³ de água e sendo capaz de abastecer o consumo doméstico diário de 6,75 milhões de pessoas. Em 2015, o complexo foi expandido com a construção da usina hidrelétrica La Muela II. Com uma capacidade instalada de 880 MW em turbinação e 744 MW em bombeamento, esta nova instalação tornou este complexo a maior capacidade instalada na Europa com mais de 1.800 MW em turbinação e 1.293 MW em bombeamento.

3. Detalhes do projeto de La Muela I

A usina opera com turbinas Francis reversíveis, capazes de gerar energia quando a água flui do reservatório superior para o inferior e de bombear água de volta ao reservatório superior durante períodos de baixa demanda. Está localizada na coordenadas (WGS 84), 39,2628, -0,9192.

• Capacidade Instalada: - Geração: 634 MW - Bombeamento: 549 MW

• Reservatórios: - Reservatório Superior (La Muela): Capacidade de aproximadamente 23 milhões de m³. - Reservatório Inferior (Cortes de Pallás): Formado pelo represamento do rio Júcar, com capacidade de aproximadamente 116 milhões de m³.

• Turbinas / Bombas: Os 634 MW de capacidade de geração de La Muela I são produzidos por três turbinas Francis reversíveis fabricadas pela Voith Hydro e a capacidade total de bombeamento desta casa de força é de 549 MW. A capacidade individual de bombeamento fica em torno de 183 MW e de turbinamento em torno de 211 MW. A velocidade de rotação das turbinas gira em torno de 500 rpm. A eficiência de bombeamento fica em torno de 80 % e a energia gerada anualmente é de ~1.000 GWh (varia conforme a demanda)

• Tubulação: O reservatório inferior está ligado ao reservatório superior por meio de um conduto forçado que faz uma ponte com um desnível de 524 metros, com 4,80 metros de diâmetro e 855 metros de comprimento e um ângulo de 45°. A vazão de trabalho é cerca de 48 m³/s por turbina na geração e 36 m³/s no bombeamento e a vazão máxima total das três turbinas em geração é cerca de 150 m³/s e em turbinação é de 120 m³/s.

A usina Hidrelétrica Reversível Corte-La Muela I possui um tempo de resposta para entrar em operação de apenas 2 minutos, possuim subestação integrada a rede elétrica espanhola e trabalha com uma tensão de 220 V.

4. Impacto ambiental de La Muela I

Estudos de impacto ambiental (GARCÍA, 2022) demonstram que houve uma redução de 450.000 tCO2/ano, um índice de sustentabilidade hídrica de 0,87 juntamente com um monitoramento contínuo da ictiofauna (fauna de peixes).

Usina Hidrelétrica Reversível Cortes-La Muela I

Descrição Geral

A usina hidrelétrica reversível La Muela faz parte do Complexo Hidrelétrico Cortes-La Muela, localizado no município de Cortes de Pallás (Valência), na bacia do rio Júcar. É uma instalação de bombeamento reversível que aproveita o desnível entre o reservatório superior de La Muela e o reservatório inferior de Cortes representado pelo rio Júcar para gerar e armazenar energia elétrica.

Histórico e Expansão

O Cortes-La Muela, localizado em um impressionante cânion de águas azuis profundas do Rio Júcar, iniciou a construção de sua primeira fase em 1983. Naquela época, foram instaladas a represa Cortes, com altura de 116 metros e tipo arco-gravidade, com potência instalada de 290 MW, e La Muela I, comissionada em 1989, que tem 634 MW de potência em turbinação e 549 MW em bombeamento. O reservatório superior ocupa mais de um milhão de metros quadrados tendo 23 Hm³ de água e sendo capaz de abastecer o consumo doméstico diário de 6,75 milhões de pessoas. Em 2015, o complexo foi expandido com a construção da usina hidrelétrica La Muela II. Com uma capacidade instalada de 880 MW em turbinação e 744 MW em bombeamento, esta nova instalação tornou este complexo a maior capacidade instalada na Europa com mais de 1.800 MW em turbinação e 1.293 MW em bombeamento.

Características Técnicas

Uma usina opera com turbinas Francis reversíveis, capaz de gerar energia quando a água flui do reservatório superior para o inferior e de bombear água de volta ao reservatório superior durante períodos de baixa demanda. Está localizado nas coordenadas (WGS 84), 39,2628, -0,9192.

Capacidade Instalada

Turbinas reversíveis (turbinamento/bombeamento)

• Geração: 634 MW (3 turbinas de ~211 MW cada)
• Bombeamento: 549 MW (3 turbinas de ~183 MW)

Turbinas e Sistema Hidráulico

• Turbinas: 3 × Francis reversíveis (fabricadas pela Voith Hydro )
• Velocidade de rotação: 500 rpm
• Eficiência de bombeamento: ~80%
• Vazão máxima:

 - Geração: 150 m³/s (total do arranjo)  
 - Bombeamento: 120 m³/s (total do arranjo) 

• Tubulação forçada:

 - Desnível: 524 m  
 - Diâmetro: 4,8 m  
 - Comprimento: 855 m

Reservatórios

• Superior (La Muela):

 - Capacidade: 23 hm³  
 - Área: ~1.000.000 m²  

• Inferior (Cortes):

 - Capacidade: 116 hm³  
 - Formado pelo represamento do Rio Júcar

Operação e Integração Elétrica

• Tempo de resposta: 2 minutos (para entrada em operação).
• Subestação: Conectada à rede espanhola em 220 kV.
• Geração anual média: ~1.000 GWh (varia conforme demanda).

Impacto Ambiental

• Redução de emissões: ~450.000 tCO₂/ano.
• Índice de sustentabilidade hídrica: 0,87 (alto).
• Monitoramento ambiental: Contínuo da ictiofauna e ecossistemas aquáticos.

Importância do Complexo

• Armazenamento de energia: Bombeia água para o reservatório superior em períodos de baixa demanda (ex.: madrugada) e gera energia em horários de pico.
• Estabilidade da rede: Auxilia no equilíbrio da rede elétrica espanhola, complementando fontes intermitentes energia eólica/energia solar).

Curiosidades

• O reservatório La Muela tem capacidade para abastecer o consumo diário de 6,75 milhões de pessoas.
• O complexo é um dos maiores sistemas de bombeamento reversível da Europa.

Referências

GARCÍA, L. M. Avaliação ambiental de usinas reversíveis. Madri: Editorial Tébar, 2022.

GIMENEZ, Juliano. La Muela II, a mais importante central hidroeléctrica de bombagem da Europa. SE12, 2025. Disponível em: https://cadenaser.com/emisora/2013/10/11/radio_valencia/1381449042_850215.html

Global Energy Monitor Wiki, Usina hidrelétrica La Muela I. Disponível em: https://www.gem.wiki/La_Muela_I_hydroelectric_plant

Iberdrola, Usina Hidrelétrica Cortes - La Muela II - Cortes - La Muela, o maior complexo hidrelétrico da Europa em Espanha. Disponível em: https://www.iberdrola.com/about-us/what-we-do/hydroelectric-power/hydro-plant-cortes-la-muela

PÉREZ, J. et al. Hidroelétricas reversíveis na Europa. Energy Journal, v.12, n.3, p.45-67, 2021.

Wikipedia, Reservatório Cortes-La Muela. Disponível em: https://es.wikipedia.org/wiki/Embalse_de_Cortes-La_Muela

# (4) Complexo Hidrelétrico Río Grande

O Complexo Hidrelétrico Río Grande é a maior central hidrelétrica reversível (ou de bombeamento) da América Latina e a terceira maior das Américas. Localizada no Vale de Calamuchita, a 130 km ao sul da cidade de Córdoba, na Argentina, esta usina foi projetada para gerar 750 MW de potência.

Características Técnicas

• Tipo de Central: Central de pico com recuperação por bombeamento
• Potência Instalada: 750 MW
• Capacidade de Geração Anual: 970.000 MWh
  • 85% obtidos por acumulação por bombeamento
  • 15% pelo aporte natural do Rio Grande
• Reserva de Energia: 100 GWh
• Tempo de Arranque: 3 minutos (para casos de emergência)

Sistema de Reservatórios

O complexo possui dois reservatórios:

1. Reservatório Superior (Cerro Pelado)
   1. Formado por três barragens de gravidade com núcleo impermeável
   2. Barragem principal: 104 m de altura por 420 m de comprimento (volume de 3.675.000 m³)
   3. Barragem lateral direita: 50 m de altura por 1.500 m de comprimento (volume de 1.600.000 m³)
   4. Barragem lateral esquerda: 6 m de altura por 54 m de comprimento (volume de 2.480 m³)
   5. Cota de coroamento: 880 m acima do nível do mar

1. Reservatório Inferior (Arroyo Corto)
   1. Localizado 12 km a jusante do reservatório superior
   2. Desnível entre os dois reservatórios: 185 m

Casa de Máquinas

• Construída em caverna a 226 m de profundidade em relação ao vertedouro do reservatório Cerro Pelado
• 130 m abaixo do leito original do rio
• Dimensões: 105 m de comprimento, 27 m de largura e 50 m de altura
• Acesso através de um túnel de 1.800 m escavado na rocha

Equipamentos

• 4 grupos de turbinas/bombas reversíveis tipo Francis de 186,5 MW/210 MVA cada
• Rotação: 250 rpm
• Ligação ao reservatório superior por duas tubulações forçadas de aço inoxidável:
  • Comprimento: 330 m
  • Diâmetro variável entre 7,5 e 3,5 m
  • Cada tubulação alimenta duas turbinas

Túnel de Restituição

• Liga a saída dos difusores ao reservatório inferior (Arroyo Corto)
• Seção abobadada de 12 x 18 m
• Comprimento: 5.800 m
• Inclinação: 8%
• Volume de escavação: 1.108.700 m³
• Perda de carga máxima: 6,1 m

Histórico

Inaugurado em 1986, o projeto começou em 1970, com a pedra inaugural colocada em 1973 durante a presidência de Juan Domingo Perón. A usina alcançou sua capacidade máxima de produção alguns meses após o início das operações. Originalmente controlada pela construtora Agua y Energía Eléctrica, passou para a Nucleoeléctrica Argentina S.A. em 1996 e posteriormente para a EPEC (Empresa Provincial de Energía de Córdoba) em 2001.

Em 2022, a central não operava em plena capacidade devido a problemas técnicos pendentes de reparação.