Experimentação hidrométrica aplicada ao uso de energia
hidrocinética na bacia hidrográfica do rio Maracá – AP
Leandro Rodrigues de Souza1, Alan Cavalcanti da Cunha2, Magaly de Fátima Correia3
RESUMO: This study conducted studies related to quantification and analysis of the
potential of hydrokinetic power generation in isolated communities in the State of Amapá to
install hydrokinetic turbines (power up to 2KW). The basic principle of generation is
harnessing the kinetic energy of the natural flow of the turbulent flow of the river, without the
need to build dams. The main objective of the study generated basic information and
hydrological benefits of hydrokinetic energy utilization in the basin Maraca – AP river, whose
generating system is integrated into a production system, such as the chestnut of the Brazil
(Hevea brasiliensis) in the Extractive Reserve of the Maracá. The methodology applied an
experimental study in situ to quantify the flow and speed average during the period of one
year, divided into sub-steps, whose main products are hydraulic parameterization of a section
previously chosen in the river, developing a Key-curve and the estimated hydrokinetic
potential. In the study it was observed that the site has potential enough to install a
hydrokinetic hydrokinetic turbine, since only in October its speed was below 1.4 m / s which
is ideal for their operation.
Palavra-chave: Hidrologia, Energias Renováveis, Bacia Hidrográfica, Turbina Hidrocinética.
1. INTRODUÇÃO
Cerca de dois bilhões de pessoas não têm nenhum acesso a fontes de energia, sendo
que a maioria delas está vivendo em áreas rurais, o que dificulta o desenvolvimento
econômico e social de suas populações (Bassam, 2001). A base da rede de distribuição de
energia elétrica no Brasil é formada pelos seguintes sistemas: i) sistema que interliga as
regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste; ii) sistema que interliga as regiões Norte e Nordeste; e
iii) sistemas isolados, formados por cerca de 300 localidades eletricamente isoladas,
principalmente na Região Norte, correspondendo a 2% do mercado energético brasileiro. Para
as grandes e médias cidades das regiões, Norte e Nordeste, não interligadas à rede do sistema
integrado, o governo oferece um subsídio para que as concessionárias atendam na modalidade
de sistema isolado, principalmente por meio das termelétricas (ELS, 2008).
Uma alternativa encontrada são as energias renováveis provenientes de ciclos naturais
de conversão da radiação solar, que é a fonte primária de quase toda energia disponível na
Terra. Por isso, são praticamente inesgotáveis e não alteram o balanço térmico do planeta. As
formas ou manifestações mais conhecidas são: a energia solar, a energia eólica, a biomassa e a
hidroenergia. A energia hidrocinética pode ser vista como forma de energia potencial; volume
de água armazenada nas barragens rio acima. As grandes hidrelétricas se valem das barragens
para compensar as variações sazonais do fluxo dos rios e, através do controle por comportas,
permitir modulação da potência instantânea gerada nas turbinas. Entretanto, problemas
relacionados aos desequilíbrios sócio-espaciais, como o alto custo da geração, transmissão e
distribuição de energia hidrelétrica inviabilizam iniciativas de atendimento às necessidades
energéticas de pequena escala, deixando desprovidas de abastecimento populações rurais e/ou
extrativistas geograficamente isoladas dos grandes centros urbanos (Greentec, 2003). Então
1
Mestrando na Universidade Federal de Campina Grande, [email protected]
Professor de Ciências Ambientais – Universidade Federal do Estado do Amapá, [email protected]
3
Professora de Meteorologia – Universidade Federal de Campina Grande, [email protected]
2
uma alternativa encontrada seria utilização de uma Turbina Hidrocinética (THC), que ao
conhecer os detalhes das informações hidrológicas torna-se possível instalar turbinas
hidrocinéticas em rios típicos do Estado do Amapá e atender demandas de geração de
energias em comunidades remotas.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1.Caracterização Área de Estudo
A Bacia Hidrográfica do Maracá (Figura 1) esta localizada no Município de Mazagão
– AP e encontra-se cerca de 2 horas de Macapá, na Rodovia BR-156. Há várias comunidades
que moram na região, e suas principais fontes de renda são o extrativismo (castanha) e a
fabricação de móveis (baixo Maracá).
Figura 1- Localização da Bacia do Maracá
As características como clima e hidrografia da Bacia do Maracá são bastante
semelhantes às de bacias Amazônicas. A existência de elevações topográficas torna a região
propícia ao uso de energia hidrocinética. O rio Maracá é perene e deságua no braço esquerdo
do rio Amazonas. De acordo com a Figura 1, o trecho do canal do rio Maracá estudado foi
aquele indicado pela seta em azul, mais precisamente na parte sul ou médio Maracá.
2.2 Descrição do Método de Estimar o Potencial Hidrocinético
Para obter a potência da turbina hidrocinética foi necessário usar técnicas para obter os
dados hidrométricos. O parâmetros que permite determinar a potência hidráulica disponível
em um local é a velocidade média da corrente d’água conforme a equação de Betz (1). E,
estima-se a potência elétrica através da equação (2).
1
1
(1)
PH  mV02   AV03
2
2
Pelét. = 0,56.PH. ηm. ηe
(2)
Onde: Pelét: Potência elétrica (W), PH: Potência Hidráulica disponível (W), ρ: Densidade da
água (Kg/m³), Vo: Velocidade da corrente do rio (m/s), A: Área da secção da turbina (m²), m:
Massa de água (Kg), ηm: Rendimento Mecânico e ηe: Rendimento elétrico.
2.3 Método de Medição de Vazão com Molinete
O trabalho realizado iniciou-se com a implantação de seções de réguas verticais, que
permitem a verificação das variações do nível do rio; em seguida definiram-se seções de
medição, onde foram realizadas as medições de descarga a 0,2p; 0,4p; 0,6p e 0,8p da
profundidade do Rio. Após ter sido medida a largura do rio e marcadas as verticais, posicionase o molinete na primeira delas.
Figura 2 - Perfil esquemático do rio. Fonte: MME, 2007
Em função da profundidade da vertical determina-se, com base na Tabela 1, o número
de medidas a realizar e a profundidade de cada uma delas, anotando-se os valores obtidos. No
caso a vazão de cursos d’água naturais a determinação não é simples, pois o valor da
velocidade que se pretende utilizar pode variar bastante conforme a época do ano e o regime
de chuva na região (SOUZA, 2008).
Tabela 1 - Posições para medição de velocidade
Posição em
Cálculo da vel. Média na vertical
Pontos
relação a S*
(m/s)
Prof. (m)
1
0,6p
v= V0,6
0,15 - 0,6
2
0,2 e 0,8p**
v= (V0,2 + V0,8)/2
0,6 - 1,2
3
0,2; 0,6; e 0,8p
v= (V0,2 + 2.V0,6 + V0,8)/4
1,2 - 2,0
4
0,2; 0,4; 0,6; 0,8p v= (V0,2 + 2.V0,4 + 2.V0,6 + 0,8)/6 2,0 - 4,0
*S: Superfície; p**:Profundidade Fonte: DNAEE (1997) apud SANTOS et al (2001).
O estudo visou quantificar vazões de um dos trechos do rio Maracá localizado a
jusante do local onde está instalada a turbina hidrocinética na comunidade do Caranã, para a
determinação das curvas de descarga (curva chave). Esta curva de descarga é obtida através
de medições diretas da velocidade em diversas seções dos rios e a determinação das áreas.
2.3.1 Etapas do Cálculo
i) Velocidade (m/s): é calculada pela equação (3):
(3)
Onde: “a” e “b” são constates da equação do molinete.
a = 1,0211
b = 0,0062
n: número de rotações do hélice do molinete.
ii) Área da secção (m²): é obtida pela relação (4).
(4)
Onde: Pn: são as profundidades das verticais, n: é o número de verticais.
iii) Vazão ‘Q’ (m³/s): é obtida da relação entre as equações (3) e (4) expressa por (5):
Q  VA
(5)
Onde: V: velocidade (m/s), A: Área da secção do Rio (m²).
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesta seção são observados os resultados obtidos durante a pesquisa em um ano de
estudo de acordo com a metodologia aplicada, que serviu como fundamento técnico para
instalação de turbinas hidrocinética (Quadro 1).
Quadro 1 - Parâmetros hidrométricos calculados do rio Maracá - AP
Rio Maracá
Parâmetros
1ª Medição 2ª Medição 3ª Medição 4ª Medição
Calculados
(Jul/07)
(Out/07)
(Fev/08)
(Ago/08)
Área (m²)
111,66
92,42
131,5
101,22
Largura do rio (m)
45,00
39,00
50,00
42,00
Profundidade (m)
2,48
2,36
2,63
2,41
Vazão (m³/s)
170,7
104,92
218,25
142,72
Velocidade (m/s)
1,53
1,14
1,66
1,42
O conhecimento das características hidráulicas das bacias é um dos critérios técnicos
decisivos para a instalação e operação de turbinas hidrocinéticas em qualquer bacia
hidrográfica, cujo potencial hidrocinético (técnico, econômico e social) seja viável. O
principal parâmetro avaliado para instalação de uma turbina é a velocidade de corrente do rio,
pois se pode medir a potência de operação da turbina.
Outro resultado importante foi obter a curva-chave do trecho específico do rio Maracá,
através da qual se pode calcular a vazão em função de velocidade que interessa para geração e
operação de energia hidrocinética (Figura 3).
Figura 3 - Curva chave velocidade x vazão
A obtenção da curva chave da velocidade em função da vazão foi muito importante, já
que é a partir da velocidade que se pode avaliar a viabilidade de instalação de turbinas
hidrocinética em comunidades isoladas.
Tabela 2 - Potência elétrica da Turbina.
Mês
Velocidade Potência Elétrica
(2007/2008)
(m/s)
(W)
Julho
1,53
885,63
Outubro
1,14
366,35
Fevereiro
1,66
1131,11
Agosto
1,42
708,02
Em virtude da condição de máquina de fluxo livre, pelo princípio de Betz, o máximo
teórico de potência que se deve extrair desse tipo de máquina é 0,56. Além disso, foram
considerados os rendimentos mecânico de turbina e elétrico do gerador igual a 0,7 e 0,9
respectivamente. A potência da turbina no decorrer do ano é vista na Tabela 2. Utilizou-se a
equação (1) para calcular a potência hidráulica e em seguida, calculou-se a potência elétrica
através da equação (2).
4.CONCLUSÃO
Neste estudo, conclui-se que o local tem potencial hidrocinético suficiente para
instalar uma turbina hidrocinética, visto que, somente no mês de outubro sua velocidade foi
abaixo de 1,4 m/s que é ideal para seu funcionamento (MME, 2007). Além disso, deve-se
considerar que este mês é o menos chuvoso da região e a quantidade de chuva foi abaixo do
esperado este ano. No entanto, teve-se bom resultado no o mês de fevereiro dentro do período
chuvoso.
A relevância do tema dessa pesquisa é confirmada pela política nacional ao promulgar
a lei da universalização ao acesso e serviço de energia elétrica em 2002 com metas claras para
atender as populações rurais. O Programa Luz para Todos do Governo Federal implementado
para atender as exigências dessa lei, tem como meta atender dois milhões de domicílios rurais
até 2008, sabendo que deste montante pelo menos 300.000 domicílios na Amazônia deverão
ser atendidos com alguma forma de geração descentralizada de energia elétrica conforme
afirma ELS, 2008.
Portanto, o conhecimento das características hidráulicas das bacias é um dos critérios
técnicos decisivos para a instalação e operação de turbinas hidrocinéticas em qualquer bacia
hidrográfica cujo potencial seja técnico, econômico e socialmente viáveis. Além disso, este
trabalho pode servir para novas pesquisas em outras regiões remotas.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BASSAM, N. E. Renewable energy for rural communities. Renewable Energy, junho de
2001.
ELS, R. H. Sustentabilidade de projetos de implementação de aproveitamentos
hidroenergéticos em comunidades tradicionais na Amazônia: Casos no Suriname e Amapá.
2008. 261 f. Tese (Doutorado em Ciências Mecânicas). Universidade de Brasília - UnB.
GREENTEC ECOLOGIA AMBIENTAL. Energia Hidrocinética - Estudo de Mercado, 2003.
BRASÍLIA (DF). Ministério de Minas e Energias - MME. Curso de Energias Renováveis em
comunidades isoladas na Amazônia. Manual de orientação, 2007.
SANTOS, I et al; Hidrometria Aplicada. Curitiba: Centro de Hidráulica e Hidrologia
Professor Parigot de Souza, CEHPAR, 2001.
SOUZA, L.R. e Cunha, A. C. Experimentação, Modelagem e Simulação Hidrológica
Aplicadas ao uso de Energia Hidrocinética na Bacia do Rio Maracá-AP, Relatório
SETEC/IEPA. Macapá, Amapá, Brasil. 2008a.
SOUZA, L.R. Experimentação, Modelagem e Simulação Hidrológica Aplicadas ao uso de
Energias Hidrocinética na Bacia do Rio Maracá. Trabalho de Conclusão de Curso.
Universidade Federal do Amapá. 2009b.