Repotenciação: Bases teóricas, oportunidades e experiência internacional

Prof. Dr. Edson da Costa BortoniUniversidade Federal de ItajubáInstituto de Sistemas Elétricos e EnergiaCentro de Excelência em Eficiência Energética

Inauguração da Universidade Federal de Itajubá em 1913

EXCEN – Centro de Excelência em Eficiência Energética

Expansão! Nova área do Campus

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reconstrução gerador

monitoramento 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 = ρ g Q H η

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 = ρ g Q H η

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.

.SA

TH

GE

PHB PHL Pm Pe

ηSA ηTH ηGE

Bases teóricasPor 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

nDLcS 2

100 1000 100003

4

5

6

7

8

9

10

1950 1960 1970

1980 1990 2000

Relação (kVA/polo)

c (k

VA

/m³.

rpm

)Evolução do coeficiente

tecnológico

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!

bortoni@ieee.org