Repotenciação: Bases
teóricas, oportunidades e
experiência internacional
Prof. Dr. Edson da Costa Bortoni
Universidade Federal de Itajubá
Instituto de Sistemas Elétricos e Energia
Centro de Excelência em Eficiência Energética
EXCEN – Centro de Excelência em
Eficiência Energética
Expansão! Nova área do Campus
redefinição modernização
revitalização reforma
turbina manutenção upgrading
up-rating repowering redefinição
automação reparo reconstrução
gerador monitoramento
reabilitação
refurbishment REPOTENCIAÇÃO
Repotenciação
Adoção de avanços tecnológicos, de concepções
mais modernas de projeto, utilização de folgas
existentes no projeto original ou mediante
instalação de unidades adicionais, a fim de
aumentar a potência possível de ser gerada em
usinas hidrelétricas existentes.
Bases teóricas
A potência elétrica possível de ser gerada nos bornes
do gerador – P (W) – é dada por:
P=ρgQHη
Onde:
ρ é a massa específica da água (kg/m³)
Q é a vazão turbinada (m³/s)
H é a queda bruta (m)
η é o rendimento total, produto dos rendimentos de
sistema de adução, turbina e gerador.
Bases teóricas
A potência elétrica possível de ser gerada nos bornes
do gerador – P (W) – é dada por:
P=ρgQHη
Naturalmente, esta potência está limitada pela capacidade
de cada um dos elementos da cadeia de conversão
energética, a saber, sistema de adução, turbina hidráulica
e gerador elétrico.
.
PHB
S
A
ηSA
PHL
T
H
ηTH
Pm G
Pe
E
ηGE
Bases teóricas
Por outro lado, a garantia física de um aproveitamento
hidroelétrico é dada por:
Assim, além das características ligadas à potência
possível de ser gerada, há também a possibilidade de
aumentar a garantia física pela redução das taxas de
indisponibilidade forçada e programada.
Possibilidades de incremento de potência
e energia
• Melhorias / substituição da turbina hidráulica,
aumentando potência e rendimento;
• Melhorias / substituição do gerador elétrico,
aumentando potência e rendimento;
• Aumento da potência hidráulica com modificações nos
níveis de montante e jusante, aumento de vazão
turbinada e redução de perdas na adução;
• Implantação de sistemas de monitoramento;
• Implantação de unidade geradora adicional;
• Otimização da operação da central e conservação de
energia em sistemas auxiliares.
Otimização da Turbina Hidráulica
• Utilização de margens disponíveis;
• Substituição de rotores;
• Aumento do rendimento interno e do rendimento
mecânico;
• Otimização de perfis das pás das turbinas;
• Otimização da curva de conjugação em rotores
Kaplan;
• Atentar para iminência de problemas.
Otimização da Turbina Hidráulica com aumento de
potência e de rendimento
Fonte: R. Cuenod, S. Martelli, R.V. Freitas; "Modernização de turbinas hidráulicas" XIV SNPTEE, Belém-PA, 1997
Otimização da Turbina Hidráulica com aumento de
potência e de rendimento
Fonte: Catálogo GE Hydro.
Experiência internacional
• Alabama Power Co.: Aumento da eficiência e
repotenciação de quatro unidades em três centrais do
Rio Coosa, pela substituição de turbinas de 1940 a 1960,
por novas turbinas de aço inoxidável, com aumento da
geração anual em 36 GWh (+7,3%) por US$ 6 milhões.
• Alcoa, Inc. – Substituição de quatro grupos geradores
por novos rotores Francis , geradores e
transformadores, adicionando 22 MW à capacidade
instalada da UHE Tapoco Cheoah e aumento de 95 GWh
(+23%), por US$ 13 milhões.
Otimização da Gerador Elétrico
• Utilização de margens disponíveis;
• Substituição dos enrolamentos da armadura ou do
rotor com modificação da isolação dos mesmos;
• Melhoria no sistema de refrigeração e troca de calor
do gerador permitindo aumento da densidade de
corrente ou de temperatura de operação;
• Aumento da densidade de fluxo magnético na
armadura (0,75-0,8 T para 1-1,2 T);
• Redução do fator de potência nominal;
• Atentar para iminência de problemas.
Evolução das dimensões do isolamento de geradores
Fonte: C. Sumereder; “Statistical Lifetime of Hydro Generators and Failure Analysis”,
IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 15(3), pp 678 - 685,
June 2008.
Análise Dimensional
2
S  c L D n
Evolução do coeficiente tecnológico
10
c (kVA/m³.rpm)
9
8
7
6
5
4
1950
1960
1970
1980
1990
2000
3
100
1000
Relação (kVA/polo)
10000
Experiência internacional
Fonte: Z.Kuchinskaya, V. Novozhilov, "OJSC POWER MACHINES experience on
hydrogenerators reconstruction". Russia Hydro 2011.
Experiência internacional
Experiência internacional
Experiência internacional
Aumento da Potência Hidráulica
• Aumento do nível de montante pela redefinição de
níveis máximos, cotas operativas, avaliação e
alteamento de estruturas;
• Redução do nível de jusante pela coordenação da
operação de vertedouros, redução de soleiras,
tratamento do canal de fuga;
• Redução de perdas na adução pela operação
otimizada da central, redução dos coeficientes de
perda de carga.
• Outros...
Experiência nacional e internacional
• Elevação da cota do reservatório da UHE Tucuruí de
72,00 para 74,00 m, aumentando a geração
hidráulica em 94 MW médios ao custo aproximado
de US$ 2 milhões, com retorno US$1,375 milhões
ao mês! [1]
• Redução das perdas de carga através do
revestimento das paredes internas de sistemas de
adução.
Fonte [1]: C. Gonçalves, R.R. Gonçalves, I.M. Fernandes, P.C.M. Domingues; “Elevação do nível do
reservatório da UHE Tucuruí, utilizando vigas espelho no vertedouro”. XVIII SNPTEE, Curitiba-PR, 2005
Adição de Unidade Geradora
• Centrais que possuam poços disponíveis para a
inserção de unidades geradoras adicionais;
• Disponibilidade hídrica para motorização das
unidades adicionais;
• Reconhecimento financeiro e comercial dos
possíveis ganhos energéticos da usina;
• Reconhecimento do aumento de potência e
conseqüente contribuição para o aumento da
reserva de potência do SIN;
• Compensação pelos investimentos realizados.
Experiência internacional
Experiência internacional
O “Recovery Act” de 2009 é uma ação do
governo dos Estados Unidos em resposta à crise
econômica e prevê cortes de taxas da ordem de
US$ 228 bilhões, US$ 235 bilhões em contratos,
e US$224 bilhões em programas sociais.
E no Brasil ?
• Como estimular os projetos de repotenciação ?
• Há a necessidade de estudos detalhados dos benefícios
energéticos auferidos e determinação do montante de
repotenciação.
• Análise pelo custo evitado de geração termelétrica ?
• Reconhecimento do aumento de potência efetiva e de
sua contribuição para o aumento da reserva de
potência?
• Remuneração do investimento como prestação de
serviço ancilar?
• Contratação do acréscimo dessa disponibilidade por
meio de leilões ?
• ... ?
OBRIGADO!
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