Categoria de Pesquisa: Pesquisa Aplicada
Palavras-Chave: Turbinas hidrocinéticas, Energia hidráulica, Energias renováveis, Turbinas hidráulicas
Custo Total:R$ 10.186.590,00
Ano de Início: 2010
Custo Total:R$ 10.186.590,00
OBJETIVOS
O objetivo geral do presente projeto é de desenvolver tecnologia inovadora no Brasil associada ao aproveitamento da energia hidrocinética de correntes, operacionalizando este desenvolvimento pela instalação de uma unidade demonstrativa para aproveitamento da energia hídrica residual vertida e turbinada pela UHE-Tucuruí.
Para atingir este objetivo os seguintes objetivos específicos são estabelecidos:
1.Desenvolvimento de projeto de turbina hidrocinética com potência entre 500kW-1 MW, com rotores de 3-4 pás com eixo horizontal e conjunto gerador-transmissão embarcado no bulbo. A tecnologia envolverá o uso de gerador operando em rotação variável e com a hidrodinâmica projetada com efeito de amplificação do coeficiente de potência com difusor traseiro;
2. Construção e ensaio de uma unidade piloto de 1 MW a ser instalada no Rio Tocantins na saída do reservatório de jusante da UHE-Tucuruí (3°48'46.66"S - 49°38'28.31"W), contemplando a execução de obra civil simplificada (pilares de sustentação) e infraestrutura de despacho da carga gerada. Será observada um distanciamento seguro necessário do eixo da linha de transmissão na a travessia do rio Tocantins;
3. Estabelecimento de estratégia e projeto básico para a instalação para 5MW, a partir da experiencia com unidade piloto instalada de 1 MW, contemplando o projeto para posicionamento das demais unidades complementares. Os estudos devem garantir a navegabilidade do rio e a não modificação das condições de nível de jusante;
4. Desenvolvimento de estudo do uso sustentável da unidade total de 5MW, prevendo a rede de distribuição de energia para atendimento à comunidade local.
JUSTIFICATIVA
A busca de soluções alternativas para a conversão de energia é um desafio atual que suscita o desenvolvimento tecnológico de máquinas que proporcionem baixos impactos ambientais e que aproveitem potenciais pouco convencionais e renováveis. No contexto da conversão de energia através da hidroeletricidade um atual interesse repousa no aproveitamento de potenciais de baixa queda, ou ainda no aproveitamento da energia disponível em correntes aquáticas (em rios ou oceanos). Este tipo de potencial é conhecido como energia hidrocinética, o qual é associado à energia contida no movimento de massa de água em forma de energia cinética. Este tipo de tecnologia vem sendo objeto de atenção na última década [1]-[3] e vem proporcionando o desenvolvimento de turbinas que aproveitam correntes de rios [6]-[7], [16]-[17] ou oceânicas [14]-[15], [31]. Experiências de sucesso vem sendo reportadas em diferentes países inclusive no Brasil (e.g. [18], [6]). Máquinas com bom desempenho na conversão vem sendo propostas e podem proporcionar uma alternativa tanto para a geração de eletricidade conectada à rede ou para o atendimento de comunidades remotas (envolvendo sistemas mais simples e isolados). Este tipo de tecnologia de turbinas tem íntima semelhança com a abordagem de conversão da energia eólica (que também converte a energia cinética das correntes, no caso de ar). Nota-se no entanto que algumas particularidades podem ser mencionadas para o caso da água: Em primeiro que as velocidades de correntes de água (em rios ou oceanos) em geral são bem menores que as do vento atmosférico próximo à superfície. No entanto, observa-se que a massa específica da água é bem superior a do ar, o que faz com que o potencial de energia disponíveis em correntes de água proporcionem um potencial que pode ser economicamente aproveitado em situações de velocidades de fluxo relativamente baixas (1-4 m/s). Em particular no Brasil a temática do desenvolvimento de turbinas hidráulicas tipo hidrocinéticas vem sendo fortemente incentivadas por empresas do setor e a ELETRONORTE S/A vem sendo pioneira no suporte ao desenvolvimento desta tecnologia. De fato, este tema de pesquisa tecnológica em sendo objeto de alguns desenvolvimentos nacionais em universidades, em particular na UnB, onde máquinas e estudos vem sendo desenvolvidos ao longo dos últimos 18 anos.
Com o incentivo de projetos oriundo de várias fontes de financiamento (CNPq, FINEP, FAP-DF, etc,), a UnB desenvolveu e dispõe na atualidade de uma máquina confiável e customizada, que vem sendo instalada em diferentes comunidades isoladas no Cerrado e na Amazônia. Os projetos da UnB caracterizam-se pela combinação de desenvolvimento tecnológico com a avaliação de inserção sustentável de tal tecnologia para comunidades isoladas ([7]-[13]).
A partir de 2004, a ELETRONORTE S/A, em parceria com a UnB, iniciou uma atividade de P&D visando o desenvolvimento de uma máquina hidrocinética para comunidades isoladas na Amazônia. Tal turbina foi então desenvolvida considerando os seguintes aspectos:
a) Aperfeiçoamento do projeto hidrodinâmico com uso intensivo de simulação computacional e ensaio em modelo reduzido;
b) Concepção de uma tecnologia compacta, de baixo custo, que permitisse seu transporte para regiões remotas da Amazônia brasileira e com facil instalação e manutenção
c) Proporcionar uma turbina que utiliza materiais compatíveis com as condições amazônicas, em particular com o uso intensivo de plásticos e layout funcional;
d) Avaliação da sustentabilidade do uso da tecnologia, comparando-a com outras alternativas.
Os projetos P&D ELETRONORTE-UnB proporcionaram uma concepção inovadora de máquina (com patente requisitada) que vem respondendo com sucesso a tais premissas Um novo modelo de uma pequena máquina de 1 KW foi desenvolvido e foi testado no contexto de projeto P&D sendo denominado como Turbina hidrocinética Geração 3, o que fechou um ciclo de desenvolvimento em parceria entre as duas instituições.
O presente projeto apresenta agora um novo desafio. Ele deve então proporcionar respostas à demanda induzida pelo edital P&D 01/2009 cujo o objetivo é a conversão de energia remanescente do aproveitamento hidrelétrico da UHE-Tucuruí.
O edital deixa claro que o aproveitamento das águas vertidas e turbinadas deve ser obtido sem que nenhuma variação de nível de água ajusante ocorra. Isto naturalmente leva a proposta tecnológica ao encontro do desenvolvimento de uma turbina hidrocinética adaptada às condições específicas ao escoamento de jusante, visto que qualquer aproveitamento de queda (e consequente necessidade de represamento adicional do curso d'água) pode induzir condições conflitantes com o funcionamento da usina principal ou com a navegabilidade do Tocantins.
Neste contexto, proporcionar um aproveitamento da energia residual através de máquinas hidrocinéticas, que atenda no mínimo uma demanda de instalação de 5 MW, apresenta dificuldades importantes para serem abordadas em um projeto de P&D e devem ser foco de seu desenvolvimento:
a) As características estimadas das condições de corrente à jusante da barragem proporcionam velocidades da ordem de 2-3,5 m/s o que viabiliza fortemente a instalação de máquinas hidrocinéticas, tendo em vista relatos apresentados em literatura recente para experiências com máquinas em correntes oceânicas ou de maré (e.g. [19]);
d) Para atender a geração de 5MW, dentro das condições de profundidade do canal a jusante da usina, são necessárias máquinas entre 5-10 m de diâmetro, o que proporcionaria potencias para cada unidade entre 500-1000 kW, ou seja, seriam necessárias entre 5-10 máquinas para atender a demanda do edital. Trata-se de uma demanda de desenvolvimento tecnológico similar às várias iniciativas de desenvolvimentos ora em curso em diversos países (e.g. [18]);
c) As dificuldades tecnológicas de maquinas tipo hidrocinéticas de grande porte fazem com que elas ainda não sejam disponíveis como tecnologia comercializada. Todas as experiências mundiais estão associadas com pesquisas envolvendo empresas e universidades, o que enquadra a atual iniciativa da ELETRONORTE S/A como uma real demanda de P&D&I, com repercussão internacional em seus resultados;
d) Mesmo considerando a experiência acumulada dos projetos em parceria UnB-ELETRONORTE, e algumas outras executadas por outras iniciativas no Brasil, a presente demanda apresenta deafios que somente uma rede de pesquisa aplicada, envolvendo universidades e empresas, pode atender de maneira efetiva. Portanto o projeto se justifica desde sua proposta como um projeto de inovação, colocando em evidência a iniciativa da ELETRONORTE S/A em provocar as universidades e institutos de pesquisa nacionais a se engajarem de maneira cooperativa para o desenvolvimento de uma tecnologia, cuja a maturidade da engenharia nacional esta pronta para responder. Ressalta-se ainda que este tipo de projeto não pode deixar de envolver o conhecimento de empresas do setor, o que certamente proporcionará o foco da manufatura e operacionalidade do desenvolvimento do processo de inovação.
JUSTIFICATIVA
A busca de soluções alternativas para a conversão de energia é um desafio atual que suscita o desenvolvimento tecnológico de máquinas que proporcionem baixos impactos ambientais e que aproveitem potenciais pouco convencionais e renováveis. No contexto da conversão de energia através da hidroeletricidade um atual interesse repousa no aproveitamento de potenciais de baixa queda, ou ainda no aproveitamento da energia disponível em correntes aquáticas (em rios ou oceanos). Este tipo de potencial é conhecido como energia hidrocinética, o qual é associado à energia contida no movimento de massa de água em forma de energia cinética. Este tipo de tecnologia vem sendo objeto de atenção na última década [1]-[3] e vem proporcionando o desenvolvimento de turbinas que aproveitam correntes de rios [6]-[7], [16]-[17] ou oceânicas [14]-[15], [31]. Experiências de sucesso vem sendo reportadas em diferentes países inclusive no Brasil (e.g. [18], [6]). Máquinas com bom desempenho na conversão vem sendo propostas e podem proporcionar uma alternativa tanto para a geração de eletricidade conectada à rede ou para o atendimento de comunidades remotas (envolvendo sistemas mais simples e isolados). Este tipo de tecnologia de turbinas tem íntima semelhança com a abordagem de conversão da energia eólica (que também converte a energia cinética das correntes, no caso de ar). Nota-se no entanto que algumas particularidades podem ser mencionadas para o caso da água: Em primeiro que as velocidades de correntes de água (em rios ou oceanos) em geral são bem menores que as do vento atmosférico próximo à superfície. No entanto, observa-se que a massa específica da água é bem superior a do ar, o que faz com que o potencial de energia disponíveis em correntes de água proporcionem um potencial que pode ser economicamente aproveitado em situações de velocidades de fluxo relativamente baixas (1-4 m/s). Em particular no Brasil a temática do desenvolvimento de turbinas hidráulicas tipo hidrocinéticas vem sendo fortemente incentivadas por empresas do setor e a ELETRONORTE S/A vem sendo pioneira no suporte ao desenvolvimento desta tecnologia. De fato, este tema de pesquisa tecnológica em sendo objeto de alguns desenvolvimentos nacionais em universidades, em particular na UnB, onde máquinas e estudos vem sendo desenvolvidos ao longo dos últimos 18 anos.
Com o incentivo de projetos oriundo de várias fontes de financiamento (CNPq, FINEP, FAP-DF, etc,), a UnB desenvolveu e dispõe na atualidade de uma máquina confiável e customizada, que vem sendo instalada em diferentes comunidades isoladas no Cerrado e na Amazônia. Os projetos da UnB caracterizam-se pela combinação de desenvolvimento tecnológico com a avaliação de inserção sustentável de tal tecnologia para comunidades isoladas ([7]-[13]).
A partir de 2004, a ELETRONORTE S/A, em parceria com a UnB, iniciou uma atividade de P&D visando o desenvolvimento de uma máquina hidrocinética para comunidades isoladas na Amazônia. Tal turbina foi então desenvolvida considerando os seguintes aspectos:
a) Aperfeiçoamento do projeto hidrodinâmico com uso intensivo de simulação computacional e ensaio em modelo reduzido;
b) Concepção de uma tecnologia compacta, de baixo custo, que permitisse seu transporte para regiões remotas da Amazônia brasileira e com facil instalação e manutenção
c) Proporcionar uma turbina que utiliza materiais compatíveis com as condições amazônicas, em particular com o uso intensivo de plásticos e layout funcional;
d) Avaliação da sustentabilidade do uso da tecnologia, comparando-a com outras alternativas.
Os projetos P&D ELETRONORTE-UnB proporcionaram uma concepção inovadora de máquina (com patente requisitada) que vem respondendo com sucesso a tais premissas Um novo modelo de uma pequena máquina de 1 KW foi desenvolvido e foi testado no contexto de projeto P&D sendo denominado como Turbina hidrocinética Geração 3, o que fechou um ciclo de desenvolvimento em parceria entre as duas instituições.
O presente projeto apresenta agora um novo desafio. Ele deve então proporcionar respostas à demanda induzida pelo edital P&D 01/2009 cujo o objetivo é a conversão de energia remanescente do aproveitamento hidrelétrico da UHE-Tucuruí.
O edital deixa claro que o aproveitamento das águas vertidas e turbinadas deve ser obtido sem que nenhuma variação de nível de água ajusante ocorra. Isto naturalmente leva a proposta tecnológica ao encontro do desenvolvimento de uma turbina hidrocinética adaptada às condições específicas ao escoamento de jusante, visto que qualquer aproveitamento de queda (e consequente necessidade de represamento adicional do curso d'água) pode induzir condições conflitantes com o funcionamento da usina principal ou com a navegabilidade do Tocantins.
Neste contexto, proporcionar um aproveitamento da energia residual através de máquinas hidrocinéticas, que atenda no mínimo uma demanda de instalação de 5 MW, apresenta dificuldades importantes para serem abordadas em um projeto de P&D e devem ser foco de seu desenvolvimento:
a) As características estimadas das condições de corrente à jusante da barragem proporcionam velocidades da ordem de 2-3,5 m/s o que viabiliza fortemente a instalação de máquinas hidrocinéticas, tendo em vista relatos apresentados em literatura recente para experiências com máquinas em correntes oceânicas ou de maré (e.g. [19]);
d) Para atender a geração de 5MW, dentro das condições de profundidade do canal a jusante da usina, são necessárias máquinas entre 5-10 m de diâmetro, o que proporcionaria potencias para cada unidade entre 500-1000 kW, ou seja, seriam necessárias entre 5-10 máquinas para atender a demanda do edital. Trata-se de uma demanda de desenvolvimento tecnológico similar às várias iniciativas de desenvolvimentos ora em curso em diversos países (e.g. [18]);
c) As dificuldades tecnológicas de maquinas tipo hidrocinéticas de grande porte fazem com que elas ainda não sejam disponíveis como tecnologia comercializada. Todas as experiências mundiais estão associadas com pesquisas envolvendo empresas e universidades, o que enquadra a atual iniciativa da ELETRONORTE S/A como uma real demanda de P&D&I, com repercussão internacional em seus resultados;
d) Mesmo considerando a experiência acumulada dos projetos em parceria UnB-ELETRONORTE, e algumas outras executadas por outras iniciativas no Brasil, a presente demanda apresenta deafios que somente uma rede de pesquisa aplicada, envolvendo universidades e empresas, pode atender de maneira efetiva. Portanto o projeto se justifica desde sua proposta como um projeto de inovação, colocando em evidência a iniciativa da ELETRONORTE S/A em provocar as universidades e institutos de pesquisa nacionais a se engajarem de maneira cooperativa para o desenvolvimento de uma tecnologia, cuja a maturidade da engenharia nacional esta pronta para responder. Ressalta-se ainda que este tipo de projeto não pode deixar de envolver o conhecimento de empresas do setor, o que certamente proporcionará o foco da manufatura e operacionalidade do desenvolvimento do processo de inovação.
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