Geração de energia em barragens existentes de baixa queda com usinas sifão

Abstract

A disponibilidade hídrica favoreceu historicamente a implantação de usinas hidrelétricas que condicionaram um sistema elétrico predominantemente renovável no Brasil. Apesar de economicamente competitivas e de propiciarem flexibilidade operativa em resposta às flutuações de demanda energética, atualmente as grandes centrais tem esbarrado em uma estreita faixa remanescente de locais com potencial para instalação de novas usinas. O elevado investimento em obras civis, a distância entre os aproveitamentos hidrelétricos e os grandes centros de consumo, além dos impactos ambientais e sociais, têm sido taxativos. Por outro lado, a exploração de potenciais hídricos menores é uma tendência emergente que pode ser concretizada em barragens com baixa queda de água estimulando a descentralização energética e encurtando as extensas redes de distribuição. O desafio desse tipo de usina está condicionado a sua menor atratividade econômica que muitas vezes, acaba implicando em custos de capital desproporcionalmente mais altos por unidade de energia instalada. Nesse sentido usufruir de estruturas existentes concebidas sem a finalidade de gerar energia, como aquelas de abastecimento de água e de irrigação, foi uma das estratégias abarcadas como potencial de expansão neste estudo. Essa medida torna a operação de barragens existentes polivalente e sustentável, dispensando a construção e reduzindo custos civis relacionados a novas estruturas. Para isso, uma usina sifão foi proposta dada sua adaptabilidade ao maciço da barragem existente, não sendo necessário rompê-lo. Considerando a dificuldade de viabilização de pequenas usinas, mesmo em barragens que já existem, à intermitência do recurso renovável hídrico e a ausência de reservatórios, este estudo objetivou determinar soluções otimizadas para geração de energia renovável em barragens existentes de baixa queda (< 8 m) e facilitar sua viabilização através de sistemas híbridos hidrelétricos-fotovoltaicos. Dois estudos de caso reais, para aproveitamento do potencial energético de barragens existentes de baixa queda, foram avaliados com auxílio do software HOMER Energy. Foram determinados em nível de préviabilidade, configurações otimizadas que incluíram sistemas complementares com turbinas hidráulicas e módulos fotovoltaicos flutuantes a fim de atenuar a intermitência de vazões. Os resultados foram promissores ao demostrarem competitividade econômica relacionada ao custo nivelado de energia com soluções ótimas que variaram de 0.069 a 0.164 US$/ kWh, frações renováveis de 69 a 83 %, para demandas de cargas primária de 2600 a 3400 kWh/dia e geração hídrica de até 271 kW para sistemas que incluíram Hidro-Diesel-Bateria-PV. Os sistemas 100 % renováveis, que incluíram Hidro-BateriaPV, atenderam demandas de 2000 a 3400kW a um COE de 0.006 a 0.291 US$ com geração hídrica de até 139 kW.

Water availability has historically favored the implementation of hydroelectric plants, which conditioned a predominantly renewable electrical system in Brazil. Despite being economically competitive and providing operational flexibility in response to fluctuations in energy demand, large plants are currently limited to a narrow remaining range of locations with potential for installing new plants. The high investment in civil works, the distance between hydroelectric plants and large consumption centers, in addition to the environmental and social impacts, have been taxing. On the other hand, the exploration of smaller water potentials is an emerging trend that can be implemented in dams with low water head, stimulating energy decentralization and shortening extensive distribution networks. The challenge of this type of plant is due to its lower economic attractiveness, which often ends up resulting in disproportionately higher capital costs per unit of installed energy. In this sense, taking advantage of existing structures designed without the purpose of generating energy, such as those for water supply and irrigation, was one of the strategies covered as potential for expansion in this study. This measure makes the operation of existing dams multipurpose and sustainable, eliminating construction and reducing civil costs related to new structures. For this, a siphon plant was proposed given its adaptability to the existing dam mass, meaning it would not be necessary to break it. Considering the difficulty of making small plants viable, even in dams that already exist, the intermittency of the renewable water resource and the absence of reservoirs, this study aimed to determine optimized solutions for generating renewable energy in existing low-head dams (< 8 m) and facilitate its viability through hybrid hydroelectric-photovoltaic systems. wo real case studies, to harness the energy potential of existing low-head dams, were evaluated with the help of the HOMER Energy software. At a pre-feasibility level, optimized configurations were determined that included complementary systems with hydraulic turbines and floating photovoltaic modules in order to mitigate flow intermittency. The results were promising in demonstrating economic competitiveness related to the levelized cost of energy with optimal solutions that ranged from 0.069 to 0.164 US$/kWh, renewable fractions from 69 to 83%, for primary load demands from 2600 to 3400 kWh/day and generation hydro power of up to 271 kW for systems that included Hydro-Diesel-BatteryPV. The 100% renewable systems, which included Hydro-Battery-PV, met demands of 2000 to 3400kW at a COE of 0.006 to 0.291 US$ with hydro generation of up to 139 kW.