Hidroenergia - A força das águas

Por Rômulo Rostand de Araújo Rodrigues

A Hidroenergia, aproveitamento das quedas d’água, tem a energia solar como fonte de renovação. O ciclo se dá através da evaporação da água dos rios, lagos, mares e oceanos, pela radiação solar direta e os ventos. O vapor d’água mistura-se com o ar atmosférico e sobe até formar as nuvens. Boa parte dessas nuvens é transportada pelos ventos até regiões de maior altitude. Através da chuva, a água é devolvida ao solo, passando a alimentar os rios em seus fluxos descendentes. A retenção temporária da água e liberação gradativa pelo solo e vegetação tem papel importante: o de perenização dos rios, funcionando como um regulador natural e garantindo uma certa estabilidade de vazão. Secundariamente, os lagos também contribuem para esse controle.

CARACTERÍSTICAS DA HIDROENERGIA

A hidroenergia possui vários atrativos. Entre eles, os sistemas de conversão apresentam alto rendimento - segundo Palz1 o rendimento na conversão de água represada em eletricidade pode chegar a valores próximos de 90 %. É facilmente armazenável na forma de energia potencial através de lagos, que podem ser artificiais. O controle da potência de saída é obtido com relativa facilidade e boa eficiência. Apresenta baixo nível der ruído e vibrações e pode ter baixíssimo impacto ambiental, caso das micro-usinas. Esses fatores tornam a hidroenergia uma das mais atrativas e de menor custo, inclusive ambiental. Tornando-a interessante até como forma de armazenamento em sistemas eólicos, para dar-lhes estabilidade e ou autonomia. Sua maior limitação como fonte energética está na disponibilidade, só algumas regiões dispõem de quedas d’água aproveitáveis.

PRIMEIROS REGISTROS DA UTILIZAÇÃO

Depois da força muscular e dos ventos, em embarcações, a primeira fonte de energia explorada pelo homem para obter energia mecânica foi seguramente a força das quedas d’água. Segundo Usher2, os primeiros usos da energia hidráulica vieram com a Nora, a roda d’água horizontal com acionamento direto e a roda d’água com engrenagens. Ele considerava que os três mecanismos tinham concepções distintas entre si. Ainda para Usher, apesar de não haver relatos sucintos e seguros o suficiente para se estimar datas, pode-se afirmar que o conhecimento da nora movida à água e do moinho com engrenagens já estava bastante sedimentado no final do primeiro século antes de Cristo. Quanto a roda d’água horizontal, por falta de registros confiáveis, achava apenas provável que já estivesse em uso. No tratado de Filon de Bizâncio, uma mostra aproximada das realizações mecânicas do século III a.C., já figuravam três aplicações de rodas d’água altas em dispositivos pequenos. Sobre as restrições dos registros de utilização de rodas d’água, Usher aponta algumas considerações pelas quais não pode dar um alto grau de certeza da veracidade ou descrição exata da concepção dos dispositivos: Os documentos na sua maioria são incompletos e, em geral, chegaram aos dias atuais como cópias e traduções sucessivas por diversas gerações e com alternância de diversos idiomas, carregando suspeitas de terem recebido revisões em seu conteúdo. Alguns se perderam, restando apenas referências em obras posteriores, caso do tratado de Ctesibius. A imprecisão nos desenhos e descrições juntamente com os poucos registros arqueológicos, aumentam a dificuldade. Além disso, a roda d’água, assim como o moinho de vento, não teve seu desenvolvimento ou concepção de forma pontual, seja em tempo ou espaço geográfico.

As referências para sua utilização após o século X na Europa são bem mais fartas. Na Enciclopédia Como Funciona, os autores citam que “... o registro do Domesday Book (cadastro das terras da Inglaterra elaborado por Guilherme, o Conquistador, em 1806) mostra que, para 3000 comunidades, havia no país 5.624 moinhos d’água” 5.

A importância das rodas d’água na revolução industrial e em todo o desenvolvimento tecnológico é destacada por diversos autores. A abundância de rios perenes na Europa, permitindo largo uso da roda d’água, foi fator essencial para o desenvolvimento da indústria, principalmente a siderúrgica, um dos suportes da revolução industrial.

Um outro dispositivo primitivo e bem distinto, com poucas referências em relação a sua origem é o monjolo. Utilizado para socar milho, arroz, café e amendoim, o monjolo tem seu uso no país desde a época colonial podendo ser encontrado em algumas regiões com disponibilidade de quedas d’água, com boa incidência em São Paulo e Espírito Santo.De dimensões reduzidas, feito a partir de troncos de árvores, o monjolo funciona como um balancim em movimento oscilante, repetido graças variação de equilíbrio dada alternadamente pelo enchimento da cavidade existente em uma de suas extremidades por um filete de água e posterior esvaziamento que ocorre em conseqüência da inclinação da haste, resultante do enchimento. Segundo o site Jangada Brasil, o monjolo teve sua origem na Ásia:

Não se sabe ao certo sua origem; sabe-se, porém, que Braz Cubas foi quem primeiro providenciou a sua instalação nas proximidades da atual cidade paulista de Santos, quando de sua fundação. Os índios logo denominaram a rudimentar máquina de enguaguaçu, que significa: pilão grande, nome que passou à localidade onde o primeiro foi instalado.

Supõe-se que o monjolo foi trazido ao Brasil pelos povoadores portugueses da China. Na verdade, na seção chinesa da Exposição Universal de 1873, em Viena, foram expostos modelos de monjolos, denominados chui toi no Celeste Império. 6

O monjolo pode ainda ser encontrado funcionando em algumas regiões do Brasil, pelo menos como atrativo turístico em hotéis fazenda.

SURGIMENTO DAS TURBINAS HIDRÁULICAS

A máquina a vapor representou grande impulso na revolução industrial. As industrias, antes quase que exclusivamente instaladas junto a quedas d’água, principal força motriz até então, passaram a contar com uma nova propulsão que não dependia mais da localização geográfica podendo produzir energia em quantidades bem maiores que as que se obtinha até então, seja com a força animal, moinhos de vento ou rodas d’água. Unidades de geração de força passaram a ser possível em qualquer lugar onde houvesse disponibilidade de combustível, viabilizando novas unidades industriais, antes impensadas, seja pelo local da instalação ou pelo volume de produção.

É incontestável a grande ampliação de alcance que a máquina a vapor trouxe para a indústria, abrindo novos horizontes. Mas seu desenvolvimento não relegou o papel da roda d’água a segundo plano. O fato de que as regiões que detinham a produção até então dispunham de importantes fontes de hidroenergia e nem sempre podiam dispor de carvão a preços razoáveis com facilidade, garantiu a continuidade do incentivo ao desenvolvimento dos motores hidráulicos.

Essa busca por máquinas mais eficientes resultou, por refinamento sucessivo, na turbina hidráulica por Fourneyron, em1832. Os tipos de roda d’água até então conhecidos - o vertical e o horizontal - tinham como limitações: o aproveitamento parcial do potencial de queda d’água disponível, exigir grandes dimensões por unidade de potência e apresentar baixo rendimento. Em comparação com os modelos primitivos de roda d’água a turbina trouxe novos parâmetros de eficiência energética, tamanho reduzido e maior capacidade de aproveitamento da energia potencial das quedas d’água, chegando a níveis da quase totalidade.

Os três tipos de motores hidráulicos diferenciam-se quanto a forma de aproveitamento da força d’água. Na roda alta o peso da água aprisionada nas cavidades periféricas (cubas), pelo derramamento do fio de água na parte superior, apenas de um lado, é que resulta na força de torção. Por isso esse tipo é também conhecido como motor hidráulico de nível ou por gravidade. 3

A roda baixa aproveita o impacto da corrente de água na sua parte inferior que fica imersa na correnteza provocando o empuxo em suas pás, que acompanham o fluxo rápido das águas.

Na turbina de ação, a água é represada e canalizada até a mesma, podendo ser aproveitado todo o potencial da altura da queda d’água. A pressão da coluna d’água é transformada em energia cinética pelo escoamento através dos dutos. A ação do fluxo da água interagindo com as pás curvas da turbina numa mudança acentuada de direção provoca a força de torque. O melhor rendimento é alcançado quando a energia cinética na jusante, mais precisamente na saída da turbina, é quase nula. Isto é alcançado quando o deslocamento das pás tem aproximadamente a metade da velocidade do fluxo da água. Aliás, o deslocamento relativo da água em relação às pás é um diferencial do seu funcionamento em relação às rodas d’água, já que naquelas as pás acompanham a velocidade da água.

O desenvolvimento das turbinas de ação trouxe novas possibilidades de exploração da hidroenergia, permitindo se produzir energia em quantidades muitas vezes superiores com instalações bem menores, além de poder explorar potencias antes adversos como as quedas de grande altura e baixa vazão.


HIDROENERGIA E ELETRICIDADE – CASAMENTO BEM SUCEDIDO

A turbina hidráulica ampliou em muito os atrativos da hidroenergia, principalmente para a indústria, que passou a dispor de uma fonte barata e com oferta de grandes potências, sem requerer para isso grandes vazões de água, no caso de haver boa altura de queda. O fato das indústrias necessitarem de serem instaladas junto às quedas d’água continuou sendo um inconveniente. Além disso, em geral só se era aproveitada uma parcela muito pequena do potencial de hidroenergia disponível.

Ainda no século XVIII, com o desenvolvimento do domínio da eletricidade através de descobertas e invenções como o dínamo, o alternador, a lâmpada e do motor elétrico, passou a ser possível se converter energia mecânica em energia elétrica, que por sua vez poderia ser convertida diretamente em diversos outros tipos de energia, atendendo diversas necessidades. Os sistemas comerciais de produção de eletricidade apareceram por volta de 1881, depois do desenvolvimento da lâmpada de Thomas Edison. As primeiras centrais de produção elétrica foram desenvolvidas por Edison. Eram destinadas à iluminação, produziam corrente contínua, acionadas por máquinas a vapor, e ficavam próximo ao ponto de consumo. Mas, em pouco tempo, com o desenvolvimento dos motores, geradores e sistemas de distribuição, o uso da eletricidade se expandiu para a tração e para indústria. O desenvolvimento de sistemas de transmissão em corrente alternada e alta tensão passaram a permitir o transporte de eletricidade a longas distâncias com perdas reduzidas, favorecendo o uso da hidroeletricidade.

Já em 1897 entrou em funcionamento a Niágara Falls, hidrelétrica com sistemas de geração e distribuição idealizados por Nikola Tesla e construídos pela Westinghouse, que se tornou o modelo predominante de geração e distribuição até os dias atuais: geração em corrente alternada e transmissão em alta tensão.

As hidrelétricas, sistemas de conversão da hidroenergia em energia elétrica, representam grande rendimento e versatilidade. Nelas, todas as características de: facilidade de armazenamento, alto rendimento nas conversões e baixo custo da hidroenergia se aliam as da eletricidade.

A eletricidade é um vetor energético - não é uma fonte primária de energia - dos mais versáteis e desejáveis: Permite conversões diretas nos diversos tipos de energia – térmica, luminosa, eletromagnética, química e mecânica - com excelente rendimento. È a energia requerida dos sistemas eletrônicos em geral. Possibilita transporte direto à longa distância com pouca perda. E, os equipamentos para seu uso permitem excelente controle de potência, funcionamento imediato, comando a distância e não apresentam ruído, vibração ou poluição atmosférica.

Sistemas hidroelétricos são viáveis com grande diversidade de configuração e tamanho. As hidrelétricas são classificadas atualmente no Brasil em dois grupos o das PCH – Pequenas Centrais Hidrelétricas e GCH – Grandes Centrais Hidrelétricas. A micro-usinas, divisão menor na sub-classificação das PCH’S, são encontradas comercialmente no Brasil com valores nominais a partir de 300 watts/hora.8

Fonte:
http://www.aondevamos.eng.br/textos/texto07.htm

- Veja também:
A Araucária
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