Emissões de Gases de
Efeito Estufa em
Reservatórios de
Centrais Hidrelétricas
Projeto Estratégico
P&D ANEEL das
Empresas Eletrobras
Jorge Machado Damazio
Pesquisador DEA
Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
JUSTIFICATIVA
Reservatórios de hidroelétricas são sistemas aquáticos artificiais,
que têm sido identificados como potenciais fontes de gases de
efeito estufa (GEE) para a atmosfera (Rudd et al. 1993; St Louis
et al. 2000).
A idéia original apresentando as hidroelétricas como fontes
limpas de energia foi contestada de maneira veemente no início
da década passada (Kelly et al. 1994; Rudd et al. 1993).
Recentemente, a discussão retomou força e o papel dos
reservatórios hidroelétricos para a emissão global de carbono
para a atmosfera voltou a ser debatido (Giles 2006; Rosa et al.
2004).
JUSTIFICATIVA
Do ponto de vista ecológico, a decomposição da biomassa
inundada representa a principal fonte de emissão de gases nos
primeiros anos de operação da usina (Abril et al. 2005; GalyLacaux et al. 1999; Tremblay et al. 2004).
O processo de enchimento destes sistemas está associado a altas
taxas de atividade bacteriana e produção de gases de efeito
estufa (Galy-Lacaux et al. 1999).
A atividade bacteriana decompõe a fração orgânica do carbono,
convertendo-a para formas inorgânicas e dissolvidas, como
dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4).
JUSTIFICATIVA
Nos primeiros dez anos grande parte da biomassa inundada é
decomposta (Roland, et al 2009).
Posteriormente a essa "lavagem" do carbono orgânico inundado,
o metabolismo dos reservatórios passa a ser dirigido por fontes
alóctones de carbono (originado na bacia e carreado pelos rios e
por águas superficiais periféricas - "runoff") e fixação pela
produção primária.
JUSTIFICATIVA
Níveis baixos de oxigênio nas camadas profundas próximas ao
sedimento favorece a geração de metano (Lima 2005; Utsumi et
al. 1998a).
A superfície dos reservatórios é responsável pelas principais
trocas gasosas com a atmosfera (Abril et al. 2005), porém,
emissões significativas podem acontecer após a passagem da
água pelas turbinas (Kemenes et al. 2007; Roehm and Tremblay
2006).
JUSTIFICATIVA
Parte do estoque de metano dissolvido na água pode ainda ser
oxidado na coluna da água e emitido como CO2 (Guerin and Abril
2007; Tremblay et al. 2004; Utsumi et al. 1998b).
Os gases produzidos nos reservatórios podem ser estocados
permanentemente no sedimento destes sistemas. Estimativas
recentes sugerem que os sedimentos dos reservatórios estocam
mais carbono do que todos os lagos naturais combinados (Cole et
al. 2007; Downing et al. 2008).
Balanço de Carbono em
Reservatórios
Balanço de Carbono em
Reservatórios
Entradas e saídas de carbono em reservatório, esse
representado como retângulo de linhas mais grossas.
(Fonte: Relatório COPPE para o Projeto Balanço de Carbono
- Reservatórios de Furnas )
Projeto Balanço de Carbono Reservatórios de Furnas. 2003 A
2008
Principais aspectos observados :
-O balanço afluente e defluente de carbono orgânico total nos sistemas é
geralmente próximo a zero;
-As emissões difusivas de CO2 no sedimento diminuem com a idade do
reservatório;
-As emissões de metano por bolhas, na interface água-atmosfera, diminuem
com a idade do reservatório;
-A variação espacial nos fluxos de GEE está associada não só a processos
biológicos, mas também aos processos físicos relacionados à mistura de
massas d’água;
- As taxas de emissões de GEE, na interface água-atmosfera nos
reservatórios estudados, por geração de energia, são relativamente
pequenas quando comparadas às termelétricas.
OBJETIVOS
1 - Estabelecer diretrizes para amostragem (espacial e temporal),
coleta e preservação de amostras, análises físico-químicas e
biológicas, análises dos dados, modelagem e avaliações dos
resultados em estudos de emissões de gases de efeito estufa em
reservatórios de hidroelétricas, levando em conta os diferentes
tipos, tamanhos, idades e localizações de reservatórios no Brasil;
METODOLOGIA
•
Na fase inicial serão produzidos dois relatórios:
•
um de organização do conhecimento existente sobre o ciclo do
carbono em reservatórios,
•
outro com Diretrizes para o planejamento de campanhas de medição,
análises físico-químico-biológicas de amostras, análises de dados e
modelagens.
•
as Diretrizes serão consolidadas ao final do projeto
METODOLOGIA
Conteúdo
1. Introdução
Diretrizes para Medições, Analise de Dados e
Modelagem em Emissões Líquidas de GEE
em Reservatórios de Hidroelétricas
1.1
1.2
1.3
Objetivos
Ciclo Global do Carbono
Outros Gases de Efeito Estufa
2. Abordagens para Balanço de Carbono em Superfícies
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.4
Principais Processos em Áreas Terrestres
Processos Biológicos
Processo Físicos
Processos Químicos
Principais Processos em Rios, Lagos em Terras Úmidas
Processos Biológicos
Processos Físicos
Processos Químicos
Principais Processos em Reservatórios de Hidroelétricas
Aspectos Técnicos Relevantes de Usinas Hidroelétricas
Processos Biológicos
Processos Físicos
Processos Químicos
Emissões Líquidas em Reservatórios
3. Técnicas de Medição e Planejamento de Experimentos
3.1
3.2
3.3
3.4
Medições em Terra
Medições na Água
Medições Meteorológicas
Sensoriamento Remoto
4. Análise de Dados, Extrapolação e Modelagem
Maio, 2010
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
Reservatórios
5. Referencias
Filtragem de Dados e Análise Exploratória de dados
Métodos de Extrapolação
Modelagem da Bacia Hidrográfica
Modelagem do Reservatório
Avaliação de Emissões Líquidas de GEE em Reservatórios
Prognostico
de
Emissões
Líquidas
de
GEE
em
OBJETIVOS
2 - Realizar campanhas de campo
para coleta de dados e instalar
equipamentos para a medição
contínua em um conjunto de 8
reservatórios (Tucuruí e Balbina
na Região Norte; Serra da Mesa na
Região Centro-Oeste; Xingó na
Região Nordeste; Três Marias e
Funil na Região Sudeste; e Segredo
e Itaipu na Região Sul) e 3 sítios
de futuros reservatórios
hidrelétricos (Santo Antônio e
Belo Monte na Região Norte; e
Batalha na Região Centro-Oeste);
METODOLOGIA
•Serão
realizadas quatro campanhas de medição nos 11 sítios. As
campanhas serão espaçadas no tempo segundo as condições
hidrológicas (cheia, seca, e fases intermediárias).
•Em
cada campanha estarão presentes equipes da COPPE/UFRJ, do
IIEGA, do INPE , da UFJF e da UFPA/USP.
•Uma
equipe do LACEN da Eletronorte participará das campanhas na
região Norte.
•O
Lemma se restringirá a Itaipu.
Campanhas Sazonais - Ano 1
Mês
SITIOS
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
BATALHA
X
X
X
TRÊS MARIAS
X
X
X
XINGÓ
X
X
X
11
SERRA DA MESA
X
X
X
TUCURUÍ
X
X
X
12
FUNIL
X
X
X
SEGREDO
X
X
X
ITAIPU
X
X
X
Campanhas Sazonais - Ano 2
Mês
SITIOS
1
BATALHA
X
TRÊS MARIAS
X
XINGO
X
2
3
SERRA DA MESA
X
TUCURUI
X
BALBINA
X
BELO MONTE
X
MADEIRA
X
4
5
6
X
7
8
X
X
X
FUNIL
X
SEGREDO
X
ITAIPU
X
9
11
X
X
X
10
X
X
12
METODOLOGIA
•
A equipe da COPPE/UFRJ fará estimativas dos fluxos de gases
na interface água,
•Amostras
à montante, jusante e em diversas regiões dos
reservatórios por faixa de profundidade,
•
Funis de captação de bolhas que emanam do fundo do lago e
•
Câmaras de difusão que captam o transporte vertical dos gases
por difusão.
•
Medições "in loco" de fluxos de gases através de analisador
portátil de gases traços.
Câmaras de Difusão
Procedimentos
de
Uso
das
Câmaras
Miniaturizadas em Experimento de Equilibração.
de
(Fonte: Relatório COPPE
Reservatórios de Furnas)
de
para
o
Projeto
Balanço
Difusão
Carbono
-
Funis
METODOLOGIA
•
A
equipe
da
COPPE
quantificará
o
aporte
de
carbono,
escolhendo nos principais tributários pontos de medições de
concentrações de carbono orgânico dissolvido e particulado.
Serão feitas também medidas de concentração de carbono a
jusante e medidas de saída de carbono para o sedimento pelo
método radiométrico (210Pb) e pelo método do traçador silício.
METODOLOGIA
•
A equipe da UFJF utilizará em cada reservatório uma malha
amostral
ampla
para
a
coleta
de
dados
relacionados
aos
processos metabólicos (produção e respiração bacteriana e
fitoplanctônica)
utilizando medições
de
14C,
analisador
de
fitoplancton e analisador de gases infravermelho nas amostras
coletadas. Além das quatro campanhas integradas, a equipe da
UFJF promoverá um monitoramento mensal de parâmetros
limnológicos nos oito reservatórios e campanhas de estudos de
caso em Funil, Três Marias, Balbina e Itaipu durante a ocorrência
de variações de condições ambientais quando serão feitas
medições
visando
o
estabelecimento
de
relações
flutuações de variáveis ecológicas e de fluxos de GEE
entre
METODOLOGIA
•
As equipes do INPE e do LACEN também farão medições de fluxos
de gases com câmaras de difusão na interface água-atmosfera e
coluna d´água.
•A
equipe do IIEGA focará a estimativa de fluxos de CO2, CH4 e N2O
e as concentrações de carbono e nutrientes na interface águasedimento. Esta equipe coletará sedimentos em alguns locais do
reservatório onde também se coletará amostras na coluna d´água
e
superfície.
A
equipe
analisará
gases
na
água
intersticial
(cromatografia gasosa). Serão quantificados os fluxos difusivos
nos sedimentos e na interface água-sedimento.
METODOLOGIA
•
A equipe da UFPA/USP coletará amostras nos reservatórios
para em laboratório isolar, cultivar e caracterizar morfológica e
geneticamente
arquéias
metanogênicas
e
bactérias
metanotróficas nos reservatórios objeto de estudo, procedendo a
medições de expressão dos genes mcrA e pmoA, envolvidos
respectivamente na metanogênese e metanotrofia.
METODOLOGIA
•
O INPE instalará e operará em cada um dos 8 reservatórios já
estabelecidos uma plataforma de monitoramento SIMA.
•
METODOLOGIA
•
O
sistema
de
medição
automática
permitirá
monitorar
temperatura da água, pH e turbidez, oxigênio e CO2 dissolvidos,
condutividade,
nitrato,
amônia,
profundidade
relativa,
temperatura do ar, pressão atmosférica, radiação solar, direção e
intensidade do vento, direção e intensidade da corrente e,
profundidade relativa.
Near Surface Air Temperature (°C)
34
32
30
28
26
24
22
20
19/1/04
26/1/04
2/2/04
9/2/04
16/2/04
23/2/04
Time (days)
1/3/04
8/3/04
15/3/04
22/3/04
METODOLOGIA
•Os
dados coletados em intervalo
de tempo pré-programado são
transmitidos via satélite.
SATÉLITES
BRASILEIROS
INPE
SIMA
Usuários
Usuários
METODOLOGIA
•
A pesquisa aplicará o método de medição de covariâncias
turbulentas para o cálculo de emissões no lago de Itaipu onde já
existe uma boa estrutura de medição operada pelo Lemma em
uma pequena ilha ao largo do Município de Missal. Medições
contínuas
de
fluxos
de
CO2
serão
realizadas
utilizando
equipamentos já disponíveis no Lemma; durante as campanhas
de medição com câmaras, serão também realizadas medições de
fluxos de CH4 com um novo analisador especialmente adquirido
para esta pesquisa.
METODOLOGIA
•
Pretende-se também aplicar o método de transferência de
massa
em
todos
os
lagos
contemplados
nesta
pesquisa
instalando no SIMA um termistor flutuante protegido da radiação
solar e medidores de concentração de CO2 a 0,5 m e 2,00 m de
altura sobre a água. O mesmo método será testado na torre do
lago de Itaipu.
METODOLOGIA
•
Será desenvolvido pelo INPE um banco de dados para organizar os
dados coletados pelas equipes. Um espelho deste banco de dados será
reproduzido no CEPEL.
Visão geral da página de acesso aos dados do banco.(Fonte:
Relatório COPPE para o Projeto Balanço de Carbono - Reservatórios
de Furnas)
METODOLOGIA
•Para
de
apoiar a definição dos pontos de coleta de dados e as fases
interpolação
e
extrapolação,
para
cada
reservatório
amostrado a equipe da COPPE desenvolverá e validará um
modelo
hidrodinâmico,
através
Hidrodinâmica Ambiental (SisBaHiA).
do
Sistema
Base
de
METODOLOGIA
Isolinhas de tempos de residência no
verão, ao longo de 90 dias, nos braços
dos polígonos de aqüicultura no
reservatório de Três Marias – MG,
decorrentes de fluxos promediados na
coluna de água (2DH). A razão do
surpreendente resultado para o
polígono P6 fica evidente ao se
verificar o vórtice que se forma na
enseada, por conta dos ventos
predominantes de NE
OBJETIVOS
3 - Desenvolver modelos para avaliação de emissões líquidas de
GEE em reservatórios.
4 - Levantar e definir boas práticas para o gerenciamento relativo
às emissões de GEE em reservatórios hidrelétricos;
Serão utilizados modelos ecofisiológicos acoplados a modelos de
trocas superfície-vegetação-atmosfera direcionados para
avaliações de emissões líquidas de gases de efeito estufa e para a
busca de medidas de mitigação e controle que sejam realistas
para o Setor Elétrico.
OBJETIVOS
5 - Promover a divulgação e disseminação dos resultados do
estudo;
6 - Capacitar equipes técnicas para a coleta, análise, tratamento e
modelagem dos dados referentes às emissões de GEE em
reservatórios.
EQUIPE
Total – 108 Pesquisadores
Instituições Participantes:
Doutor – 49
Mestre – 31
Especialistas – 10
Superior Jr. – 6
Superior Pleno – 8
Superior Sênior – 4
ELETRONORTE - Proponente
• UFRN - Consultora
• UFF - Consultora
• UFRA – Consultora
FURNAS - Cooperada
CHESF - Cooperada
CEPEL - Executora
COPPE/UFRJ - Executora
INPE - Executora
UFJF - Executora
IIEGA - Executora
UFPA/USP - Executora
LEMMA/UFPR - Executora
LACEN/Eletronorte - Executora
EQUIPE
Qualificação dos Pesquisadores
ETAPA
ANO
CRONOGRAMA – Etapas – Ano 1
1
1 Revisão de Literatura - Contribuições
2
1 Revisão de Literatura - Consolidação
3
1
4
MÊS
NOME
Diretrizes para Medições, Análise de Dados e Modelagem –
Versão Preliminar - Contribuições
Diretrizes para Medições, Análise de Dados e Modelagem –
1
Versão Preliminar - Consolidação
5
1 Campanhas de Campo Sazonais – Ano 1
6
1 Monitoramento de Parâmetros Limnológicos – Ano 1
7
1 Campanhas de Campo Experimentais – Ano 1
8
1 Implantação e Operação de estações SIMA - Ano 1
9
1 Desenvolvimento de Banco de Dados
10 1 Manutenção de Banco de Dados - Ano 1
11 1 Desenvolvimento de Modelos - Ano 1
12 1 Desenvolvimento de Modelos – Consolidação - Ano 1
13 1 Produção do Relatório Final do Projeto - Ano 1
14 1 Divulgação Técnico-Científica - Ano 1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
ETAPA
ANO
CRONOGRAMA – Etapas – Ano 2
1
2 Campanhas de Campo Sazonais – Ano 2
2
2 Monitoramento de Parâmetros Limnológicos – Ano 2
3
2 Campanhas de Campo Experimentais – Ano 2
4
4 Operação das Estações SIMA - Ano 2
5
2 Manutenção do Banco de Dados - Ano 2
6
2 Desenvolvimento de Modelos – Ano 2
7
2 Desenvolvimento de Modelos – Consolidação - Ano 2
8
2
9
MÊS
NOME
Diretrizes para Medições, Análise de Dados e Modelagem –
Versão Final - Contribuições
Diretrizes para Medições, Análise de Dados e Modelagem –
2
Versão Final – Consolidação
10 2 Boas Práticas de Gerenciamento - Contribuições
11 2 Boas Práticas de Gerenciamento - Consolidação
12 2 Produção do Relatório Final do Projeto - Ano 2
13 2 Divulgação Técnico-Científica - Ano 2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
RESULTADOS ESPERADOS
Padrões e diretrizes de amostragem (espacial e temporal), coleta e
preservação de amostras, análises físico-químicas e biológicas,
análises de dados e avaliações dos resultados em estudos de GEE em
reservatórios de hidroelétricas, levando em conta os diferentes
tipos, tamanhos, idades e localizações de reservatórios no Brasil;
Modelo para avaliação das emissões de GEE em reservatórios a
partir de sua aplicação em 11 sítios (8 reservatórios e 3 futuros
reservatórios) brasileiros, onde serão realizadas campanhas de
medição;
Manual de Boas Práticas para gerenciamento de GEE em
reservatórios.