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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

Usina Elevatória de Pedreira

# 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 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.

A tubulação possui um comprimento aproximado de 85 metros e está equipada com duas unidades de curvas de 45 graus, localizadas no topo de sua estrutura e na junção com a turbina. Além disso, dispõe de duas comportas, que atuam no controle do fluxo hídrico, impedindo a entrada e saída de água durante sua operação. O objetivo principal desse sistema é promover a elevação das águas do rio Piraí até o rio Paraíba do Sul.

3. 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)

• Vazão de trabalho:

  - Geração: ~48 m³/s por turbina
  - Bombeamento: ~36 m³/s por turbina  

• 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.