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Supervisor: Teresa Duarte Monitor: Rita Afonso Coordenador: Armando Sousa O papel da Engenharia Mecânica nas Energias Renováveis Energia Hídrica Equipa 1M01_1 Filipa Sucena Gomes up201403559 João Nuno Alvim Leite Terra Figueiredo up201404292 Maria Leonor Bento Ayres Pereira up201403121 Ricardo Nuno Lobo Serôdio Ribeiro up201404350 Tomás Schuller de Almeida e Graça Barbosa up201404356 Vasco Teófilo Preto Batista up201405599 Projeto FEUP 1º ano - MIEM 2014/2015

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Supervisor: Teresa Duarte

Monitor: Rita Afonso

Coordenador: Armando Sousa

O papel da Engenharia Mecânica nas

Energias Renováveis

Energia Hídrica

Equipa 1M01_1 Filipa Sucena Gomes – up201403559

João Nuno Alvim Leite Terra Figueiredo – up201404292

Maria Leonor Bento Ayres Pereira – up201403121

Ricardo Nuno Lobo Serôdio Ribeiro – up201404350

Tomás Schuller de Almeida e Graça Barbosa – up201404356

Vasco Teófilo Preto Batista – up201405599

Projeto FEUP 1º ano - MIEM

2014/2015

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - MIEM

Resumo

A realização deste trabalho surgiu no âmbito da unidade curricular Projeto

FEUP, no curso de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica. Entre os principais

objetivos desta unidade curricular destacam-se a integração no Ambiente FEUP aos

novos alunos, assim como toda a formação inicial em “Soft Skills”, como por exemplo

comunicação oral e trabalho em equipa, as quais vão ser essenciais ao longo de toda a

carreira em engenharia. Também a discussão científica de um tema fazia parte dos

objetivos deste projeto, assim sendo, foi desenvolvido este trabalho que aborda “A

importância da engenharia mecânica nas energias renováveis” como tema principal, no

qual vai ser estudado ao pormenor o subtema “Energia Hídrica”.

Desta forma, foi decidido apresentar e caracterizar a energia hídrica,

desenvolvendo o tema desde os vários tipos de barragens e o seu modo de

funcionamento, onde se analisou a estrutura das mesmas, os seus vários componentes

(como por exemplo, os diferentes tipos de turbinas) até todo o processo de

transformação da energia potencial hídrica em energia elétrica. Pretende-se também

esclarecer ao leitor as várias vantagens e possíveis desvantagens que a mesma

apresenta tanto para o planeta como para o homem, fazendo uma análise comparativa

com outras fontes de energia renováveis e até mesmo com a energia nuclear. Por fim,

procedeu-se ao levantamento de alguns dados estatísticos relativos a esta energia nos

últimos anos e no presente, tanto em Portugal como no Mundo e ainda, à referência do

futuro da produção da energia Hídrica acompanhada por alguns dados relevantes

sobre a mesma.

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Agradecimentos

Agradecemos, individualmente e como grupo a todos que, de algum modo,

colaboraram na realização deste trabalho e reconhecemos o seu papel essencial para

o êxito do mesmo.

Primeiramente, o nosso agradecimento à professora Teresa Duarte, professora

do “Projeto FEUP”, sendo as suas orientações e sugestões de uma vital importância

para a planificação, organização e realização deste projeto.

Segundamente, nada teria sido possível sem a ajuda da monitora Rita Afonso,

pela sua disponibilidade e interesse por cada parte do projeto, dando uma verdadeira

ajuda para melhorar o trabalho.

Por fim, agradecemos também à Faculdade de Engenharia da Universidade do

Porto (FEUP), por todos os recursos que nos disponibilizou, desde as formações do

proporcionadas por esta unidade curricular nas quais foi possível aprendermos

algumas “Soft Skills” até à disponibilidade de todas as suas fontes de pesquisa.

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Índice Página

Resumo 1

Agradecimentos 2

Lista de Tabelas/Ilustrações 4

Introdução 5

1. Funcionamento de uma barragem

1.1. Elementos das Barragens 6

1.2. Turbinas: elemento principal de uma barragem 7

1.3. Aproveitamento de Energia numa Barragem 8

1.4. Tipos de Barragem 9

2. Vantagens e Desvantagens 10

2.1. Vantagens 11

2.2. Desvantagens 11

3. Processos semelhantes – outras energias renováveis 13

4. Dados Estatísticos 15

5. Futuro da Produção da Energia Hídrica

5.1. Programa Nacional de barragens 19

5.2. Alguns dados relevantes relativos à energia hídrica 19

6. Conclusão 21

7. Bibliografia 22

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Lista de Tabelas/Ilustrações Página

1. Funcionamento

1.1. Diagrama de uma barragem 6 1.2. Funcionamento de uma turbina Pelton 7

1.3. Esquema (simplificado) do aproveitamento de energia numa barragem 8 1.4. Tipos de barragem com os respetivos materiais na sua constituição e as

diferentes vistas 9

2. Vantagens e desvantagens

2.1. Tabela de vantagens e desvantagens 10

2.2. Barragem do Alqueva 12

3. Energia Hídrica vs. outras energias

3.1 Tabela de comparação entre energias 13

4. Dados Estatísticos

4.1. Gráfico comparativo das produções de cada energia renovável em

Portugal entre Agosto de 2013 e Julho de 2014 15

4.2. Gráfico da evolução da produção de energias renováveis nos últimos

anos 16

4.3. Gráfico comparativo dos níveis de produção dos vários países da UE 17

4.4. Gráfico da produção de energia hídrica por ano 18

4.5. Gráfico da taxa de crescimento anual da produção de energia hídrica 18

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Introdução

Desde o início dos tempos, o Universo foi regido por energia e trocas desta.

Assim, durante o percurso da sua evolução, o Homem desenvolveu processos de

manipulação da mesma para seu próprio proveito, começando com o fogo, passando

pela energia mecânica, chegando à nuclear.

Desde então fomos usando a nossa carência por energia fiável e eternamente

crescente em quantidade, para descobrir novas maneiras quer de utilização desta, quer

de criação.

De forma a então saciar esta necessidade, o homem foi-se aproveitando das

mais variadas fontes de energia, destacando-se assim as renováveis (hídrica, eólica,

geotérmica, solar) e as não-renováveis (combustíveis fósseis) cujas fontes energéticas

são limitadas e altamente poluentes. As primeiras, por serem aquelas que podem ser

repostas a curto/médio prazo, espontaneamente ou por intervenção humana, e que

apresentam menos impactos na Natureza em geral, são as mais defendidas e

apoiadas.

Este trabalho foi então concebido com o propósito de apresentar a energia das

águas. Aqui será demonstrado o funcionamento de centrais de produção de energia

elétrica através da força massiva de grandes volumes de água, as vantagens e

desvantagens desta fonte de energia e a sua importância tanto a nível nacional como

global.

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1. Funcionamento de uma barragem

1.1. Elementos das barragens

As barragens (figura 1.1) são formadas por diversos componentes, que podem

ou não estar presentes em todos os tipos de barragens:

1.1. Diagrama de uma barragem

O reservatório (1) é onde se encontra a água prestes a ser utilizada.

Os paramentos (2) são as superfícies mais ou menos verticais que têm como

função limitar o corpo da barragem. O paramento a montante está em contacto com a

água, e o paramento a jusante é a parede visível da estrutura.

As tomadas de água (3,4) são os canais hidráulicos que extraem a água da

albufeira para a sua posterior utilização (a geração de energia elétrica nos grupos

turbo-alternadores, a título de exemplo).

A turbina (5,6,7,8) é onde é transformada a energia para consumo.

Os transformadores (9) e as linhas de alta tensão (10) permitem a distribuição

da energia.[1]

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1.2. Turbinas: elemento principal de uma barragem

As turbinas hidráulicas são turbinas projetadas especificamente para transformar

a energia hidráulica (a energia de potencial e a energia cinética) de um fluxo de água

em energia mecânica na forma potência rotacional.

A principal turbina utilizada e que gera mais energia é a turbina Pelton.

A turbina de Pelton é uma turbina de impulso tangencial usada em grandes

quedas até 1100m (a diferença de alturas entre a superfície de água na albufeira e a

turbina designa-se de queda bruta), e a água atinge os baldes em jato com uma

velocidade elevada. Assim a roda começa a girar, gerando potência. A quantidade de

água que golpeia os baldes pode ser controlada pelo movimento de uma válvula em

forma de lança a trabalhar no interior do bocal do tubo de alimentação, alterando,

assim, a área do fluxo do bocal, como é possível ver na imagem (figura 1.2). A potência

rotacional é transformada em energia elétrica e distribuída.[2]

1.2. Funcionamento de uma turbina Pelton

Existem outos tipos de turbinas, tal como as Francis, utilizadas até 400m, ou as

Kaplan, viáveis até alturas de 60m.

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1.3. Aproveitamento de energia numa barragem:

A altura de água a montante da barragem é o que fornece energia para a central

hidroelétrica, através da conversão da energia potencial da água em repouso em

energia cinética da água em movimento. Assim quanto maior for a altura de água a

montante, maior vai ser a capacidade da albufeira para produzir energia.[3]

A água depois de entrar na câmara de entrada segue para o distribuidor.

Após a água passar pelo distribuidor e pela válvula de lança vai para as pás da roda

(figura 1.2), dando origem ao movimento de rotação da mesma por um fenómeno de

ação-reação.

A roda tem ligado ao seu eixo um veio que está ligado acima a um alternador.

Este alternador, tal como um dínamo, através da rotação provocada pelo veio que está

ligado à turbina e passando pelos polos do alternador, produz energia elétrica, que é

distribuída (figura 1.3).

1.3. Esquema (simplificado) do aproveitamento de energia numa barragem

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1.4. Tipos de barragem

1.4. Tipos de barragem com os respetivos materiais na sua constituição e as diferentes vistas

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2. Vantagens e Desvantagens

A energia hídrica é uma energia renovável. Como tal, são muitas as suas

vantagens para o meio ambiente comparativamente às energias não renováveis, pois

esta não utiliza nenhum tipo de combustível, mas apenas a força de grandes volumes

de água, um recurso natural renovável. No entanto, esta acarreta também algumas

desvantagens quer a nível social, político e ambiental. Tais vantagens e desvantagens

são possíveis observar na tabela a seguir (tabela 2.1):

Vantagens Desvantagens

● Energia renovável - pouca poluição

● Irrigação dos campos

● Baixo custo de manutenção

● Redução da dependência externa das importações de

combustíveis

● Elevado rendimento

● Armazenamento de energia potencial

● Níveis de disponibilidade e fiabilidade muito elevados

● Captação de água para abastecimento urbano

● Fins lúdicos/comercias/turísticos

Criação de milhares de empregos durante a sua sua

construção

● Alterações nos ecossistemas

● Dispendiosa construção das barragens face às

centrais térmicas

● Perda de território e alteração das paisagens

● Em zonas tropicais, pode existir libertação de

metano

● Acumulação de sedimentos

● Necessidade de recolocação das pessoas que

viviam nas zonas inundadas

● Alvo fácil de terrorismo

● Necessidade de uma grande quantidade de água

2.1. Tabela de vantagens e desvantagens da Energia Hídrica

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2.1. Vantagens:

A energia hídrica utiliza como fonte de energia a água, não sendo necessária a

combustão de combustíveis fósseis. A nível ambiental, por ser uma energia limpa, não

se verifica a emissão de gases poluentes que contribuem para o efeito de estufa e

aquecimento global.

Em termos económicos a energia hídrica reduz em muito a dependência face à

importação dos combustíveis que satisfazem as necessidades energéticas totais do

nosso país. Por sua vez, as barragens, nas quais se produz a energia elétrica, como

são na sua maioria automáticas apresentam custos operacionais e de manutenção

relativamente baixos.

É uma energia que regista altos níveis de rendimento e de fiabilidade pois a

central está apenas dependente da quantidade de chuva para garantir o nível do

reservatório. As centrais hidroelétricas têm, geralmente, uma vida longa, podendo estar

em funcionamento durante muitos anos.

A nível social, as barragens, que encontramos nestas centrais, facilitam a

captação de água para abastecimento urbano ou para fins como a agricultura e a

indústria. Estas permitem também a regularização dos caudais desempenhando um

papel importante na prevenção de cheias e também no combate a incêndios florestais

por possuírem grandes massas de água acumuladas.[4]

2.2. Desvantagens:

Contudo, a utilização dos recursos hídricos traz também diversas desvantagens

como o elevadíssimo investimento inicial e a necessidade de grandes quantidades de

água para um bom funcionamento.

Uma das principais desvantagens desta energia é a alteração de ecossistemas e

perda de território.

Com a construção de centrais hidroelétricas, extensas áreas agrícolas, pântanos

e pradarias ficam submersas ou em risco de serem inundadas, exigindo a recolocação

das pessoas que viviam nessa zona, como exemplo disso em Portugal foi a antiga

aldeia da Luz submergida pelas águas da barragem de Alqueva (figura 2.2).

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2.2. Barragem de Alqueva, central hidroelétrica

português responsável por grandes impactos

negativos a nível ambiental e social

Apesar do crescente desenvolvimento de novos modelos de turbinas e centrais

elétricas que não prejudicam tanto o ecossistema aquático, este é, contudo, o mais

afetado.

A saída de água de uma turbina, claramente a uma temperatura superior à

inicial, gera alterações na vida aquática, o que pode originar na migração ou até

extinção de algumas espécies de peixes.

Além de alterações na fauna e na flora dos rios, há também grande perturbação

no transporte de sedimentos que depositam a montante da barragem que leva a

problemas como a diminuição da quantidade de água do reservatório. Também a

erosão dos solos, por parte de sedimentos presentes na água que sai das turbinas, é

uma grande desvantagem que afeta a vegetação local.

A construção de centrais hidrelétricas em zonas tropicais provoca a consequente

libertação de metano, gás prejudicial ao efeito de estufa, que resulta da submersão das

plantas que passam a encontrar-se num ambiente anaeróbico. [4]

Contudo, é importante referir que o recente avanço tecnológico e científico

permitiu o desenvolvimento de dispositivos para a passagem de peixes, a criação de

caudais ecológicos, que mantem o habitat natural do rio, e de medidas que permitem o

controlo da qualidade do ambiente em geral e da água em particular.

O facto de as instalações conterem abundantes quantidades de água e devido a

má construção ou terrorismo, as centrais podem originar catastróficas consequências

para o que se localiza a vazante da barragem.

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3. Processos semelhantes - outras energias

renováveis

Nesta parte do relatório abrangemos uma comparação entre três energias

renováveis, hídrica, eólica e solar e uma não renovável, nuclear, de modo a determinar

a rentabilidade de criação de centrais hidroelétricas (tabela 3.1).

Energia Hídrica vs. Outras Energias

3.1 – Tabela de comparação entre energias

*quantidade impossível de estimar devido à quantidade de painéis fotovoltaicos presentes em habitações

Em primeiro lugar, a energia Eólica é aproveitada por meio de turbinas elétricas

que usam a força do vento para gerar eletricidade. Por meio de pás, convertem a

energia cinética do vento em energia mecânica, que por sua vez, é usada para oscilar

um íman dentro duma bobina, gerando eletricidade. Este é um meio muito recorrido

nos dias atuais pelo seu "baixo" custo de fabrico que gera lucro em relativamente

pouco tempo. Contudo a longo prazo este método não mostra ser tão proveitoso

Energia

Hídrica

[5] Eólica

[6] Nuclear

[7] Solar[8]

Capacidade Produtiva Mundial (MW) 1310000 237669 287442 150000

Capacidade Produtiva Portuguesa (MW) 1769 4083 0 277,9

Estruturas de Produção em Funcionamento

1513 225000 435 *

Capacidade Produtiva Média por Estrutura

(MW) 200 3 375

0,25W/célula de silício de 6 cm de

diâmetro

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quanto o abordado neste relatório, o qual consegue produzir maiores quantidades de

energia, apesar de exigir um maior investimento.

A energia solar é aproveitada através de painéis fotovoltaicos. Estes fazem a

conversão direta da luz solar para eletricidade. Os painéis fotovoltaicos são compostos

por células fotovoltaicas, que captam a luz solar por fotões, as mesmas que por sua

vez vão libertar eletrões gerando uma corrente elétrica entre duas camadas

com cargas opostas. No entanto esta é uma energia um pouco limitada em termos de

recursos uma vez que, em dias de chuva ou com baixa incidência de sol diminui a

geração de energia e no período da noite esta não ocorre, ao passo que a energia

hídrica não apresenta dependências a esse nível.

Quanto à energia nuclear, esta caracteriza-se pelo disparo a alta velocidade de

neutrões contra um material radioativo, que ao colidirem geram quantidades elevadas

de calor, e o mesmo, por sua vez, é utilizado para gerar eletricidade. Este é um

processo que consegue gerar rentavelmente grandes quantidades de energia utilizando

uma pequena quantidade de reagentes. O senão desta energia é a escassez dos

materiais para a reação e o perigo que representam os excedentes radioactivamente

contaminados. Em contraste, o recurso a meios hídricos na produção elétrica não

apresenta riscos para a humanidade e os reagentes não se esgotam.

Quando é levada a avaliação, comparando outros métodos de produção, a

geração de eletricidade pelo uso da força potencial gravítica da água, mostra ser uma

fonte extremamente lucrativa, com capacidades de produção por estrutura superior a

outras energias renováveis e, embora não chegue aos níveis da produção duma central

nuclear, prova que futuros investimentos nesta área serão frutíferos.

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4. Dados Estatísticos

Com a evolução da indústria, maior é a necessidade de recorrer à energia e,

estando as (até agora principais) fontes de energia como o petróleo, o carvão e o gás

natural a tornar-se escassas, há a necessidade de recorrer a fontes mais limpas (não

poluentes) e renováveis.

Atualmente, em Portugal, embora seja obtida energia das mais variadas fontes

de energia renováveis, é possível verificar que maior parte dessa energia é produzida

pelas centrais hidroelétricas nacionais.

Dados disponibilizados pela Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG)

mostram que entre Agosto de 2013 e Julho de 2014, na produção de energia a partir de

fontes renováveis, a energia hídrica é aquela que foi produzida em maior quantidade

comparativamente com as outras, constituindo cerca de 49% da energia produzida

através de fontes renováveis (gráfico 4.1). [9]

4.1. Gráfico comparativo das produções de cada energia renovável em Portugal entre Agosto de 2013 e Julho de 2014 (DGEG)

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16 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - MIEM

A DGEG clarifica ainda que até Julho de 2014 houve um crescimento de 8% na

quantidade de energia produzida (a partir de fontes renováveis) comparativamente com

o ano de 2013.

Relativamente à distribuição da produção de energias renováveis pelo país, é de

notar que mais de 80% ocorre nas regiões Norte e Centro do país e, relativamente à

energia hídrica, 87% é produzida também nas regiões Norte e Centro sendo Bragança

o distrito com maior produção.

Ao longo dos últimos anos, em Portugal, tem-se verificado um processo

evolutivo no que toca ao aproveitamento das diversas formas de energias renováveis,

isto é, a produção deste tipo de energias tem aumentado (gráfico 4.2).[9]

4.2. Gráfico da evolução da produção de energias renováveis nos últimos anos (DGEG)

Nota: No gráfico 4.2 as fortes quebras na produção de energia hídrica nos anos

de 2005 e 2012 devem-se às secas ocorridas nos respetivos anos.

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17 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - MIEM

A Direção Geral de Energia e Geologia, numa comparação entre os níveis de

produção de energias renováveis de Portugal e dos países da União Europeia (através

de dados obtidos no ano 2012) coloca Portugal em 4º lugar dos países com maior

produção, sendo apenas ultrapassado pela Suécia, Áustria e Dinamarca (num ano em

que se verificou uma grande quebra na produção de energia hídrica) – figura 4.3.[9]

4.3. Gráfico comparativo dos níveis de produção dos vários países da UE (DGEG)

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18 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - MIEM

Seguem-se alguns outros gráficos que mostram a maior utilização da energia

hídrica ao longo dos anos:

4.4. Produção de Energia Hídrica por ano em milhares de milhões KWH (Index Mundi)

O gráfico 4.4. demonstra o rápido aumento da produção de energia hidroelétrica

ao longo dos anos, que num período relativamente curto de tempo aumentou quase

100%.

4.5. Taxa de crescimento anual da produção de Energia hídrica. (Index Mundi)

No gráfico 4.5. obtemos o aumento percentual da utilização de energia hídrica a

nível mundial. Podemos comprovar que embora tenha havido uma ligeira quebra na

produção, esta ronda o crescimento anual de 2%.

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5. Futuro da produção de energia hídrica:

5.1. Programa Nacional de barragens

O PNBEPH, Programa Nacional de Barragens com Elevado Potencial

Hidroelétrico, é um programa aprovado em 2007 e que surge com o objetivo de

promover o aproveitamento das potencialidades e qualidades de Portugal. Já muitas

barragens foram construídas ao longo dos últimos anos, mas mesmo assim, cerca de

metade do potencial hídrico do nosso país permanece desaproveitado.

O Projeto planeia construir 8 barragens, sendo que apenas 2 delas vão ser

exploradas pela EDP. As restantes serão por grupos Espanhóis.

A EDP tem atualmente 36 barragens no seu parque hídrico.[10]

5.2. Alguns dados relevantes relativos à energia hídrica:

● Em Portugal, aproximadamente 30% da eletricidade consumida tem origem

hídrica.

● A primeira barragem Portuguesa a entrar em funcionamento, foi a de Biel em

Vila Real em 1894.

● A energia hídrica é a segunda energia mais utilizada em todo o mundo.

● Nas barragens mais recentes existem elevadores que ajudam os peixes a

completar as suas migrações.

● A maior barragem de Portugal é a do Alqueva.

● A maior barragem do mundo fica na China no rio Yangtzé e é central

hidroelétrica mais produtiva do mundo.

● Portugal tem 157 barragens.

● No rio Douro existem 15 barragens.[11]

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20 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - MIEM

Na construção de uma central hidroelétrica há inúmeros riscos que os

engenheiros têm de ter em conta. Por todo o mundo existem casos de barragens

fracassadas em que a estrutura da central cedeu dando origem a grandes desastres.

Um exemplo é a barragem de Danqiao na prefeitura de Zhumadian, na província

de Henan, na China. O colapso da barragem, resultado das fortes tempestades

causadas pelo tufão Nina em 1975, levou a um dos maiores desastres naturais da

história, causando a morte de cerca de 200.000 pessoas.[12] Outro exemplo mais

recente é o da barragem de Camará, no estado da Paraíba, no Brasil. Na noite de 17

de junho de 2004, a barragem rompeu após uma falha de construção, constituindo um

desastre de enorme dimensão.[13]

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21 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - MIEM

Conclusão

As barragens constituem uma forma de energia renovável não poluente. Apesar

de alguns seus impactos serem nefastos a nível ambiental, a sua não dependência nos

combustíveis fósseis têm-na tornado numa fonte de energia preferencial por diversos

países do mundo.

Este trabalho constitui um estudo acerca da utilização dos centrais hidroelétricas

como fonte de energia. Ao estudar a estrutura de uma barragem, os seus vários

componentes (como por exemplo, os diferentes tipos de turbina que existem) e o

processo de transformação da energia potencial em energia elétrica, foi possível

aprofundar o conhecimento acerca destas centrais.

Adicionalmente, através do estudo da utilização dos recursos hídricos nos

diversos países do mundo, concluiu-se que esta forma de energia renovável tem vindo

a tornar-se numa enorme aposta por parte de vários países desenvolvidos, incluindo

Portugal.

Em conclusão, embora os custos associados (tanto económicos como

ambientais) à construção de barragens sejam elevados, esta forma de energia

renovável tem sido uma aposta de vários países. Em relação a Portugal, o crescimento

do país nesta área coloca esta forma de aproveitamento energético num plano a seguir

para a obtenção de um Portugal mais limpo e ecológico.

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