A energia hidrelétrica ou hidrelétrica , é uma energia renovável que vem da conversão da energia hidráulica em eletricidade . A energia cinética da corrente de água, natural ou gerada pela diferença de nível, é transformada em energia mecânica por uma turbina hidráulica , depois em energia elétrica por um gerador elétrico síncrono .
Em 2020, a capacidade instalada de usinas hidrelétricas atingiu 1.330 GW , produzindo cerca de 4.370 TWh , ou 70% da produção mundial de energia renovável e 15,6% da produção global de eletricidade em 2019. Os pontos fortes da hidreletricidade são seu caráter renovável, seu baixo custo operacional e suas baixas emissões de gases de efeito estufa ; a capacidade de armazenamento de seus reservatórios ajuda a compensar as variações da demanda e também das energias intermitentes (eólica, solar). No entanto, tem impactos sociais e ambientais , principalmente no caso de barragens instaladas em regiões não montanhosas: deslocamentos populacionais , possível inundação de terras cultiváveis , fragmentação e modificações dos ecossistemas aquáticos e terrestres, bloqueio de aluvião , etc. .
Os principais produtores hidrelétricos em 2020 foram a China (31,0%), o Brasil (9,4%), o Canadá (8,8%) e os Estados Unidos (6,7%), os centrais estão entre os mais poderosos.
A energia elétrica é produzida pela transformação da energia cinética da água em energia elétrica por meio de uma turbina hidráulica acoplada a um gerador elétrico . Para barragens por acumulação, a quantidade de energia disponível, ao longo de um determinado período, na reserva de água de uma barragem depende do seu volume, entradas e perdas naturais ao longo do período e da altura da queda . Para barragens a fio de água, a quantidade de energia produzida está diretamente relacionada com o fluxo (m 3 / s, m 3 / h, m 3 / d, m 3 / ano).
Existem quatro tipos principais de turbinas. A escolha do tipo de turbina mais adequada é feita calculando a velocidade específica denominada "ns".
Os humanos têm usado moinhos de água movidos a rodas de pás para moer o trigo por mais de dois mil anos. A relojoaria e as indústrias de papel dos Alpes faziam grande uso dele devido à abundância de torrentes que desciam para os vales. Em XIX th século, impulsores são utilizados para gerar eletricidade e são substituídas por turbinas.
Em 1869 , o engenheiro Aristide Bergès a utilizou em uma queda de duzentos metros em Lancey para virar seus trituradores, ralar a madeira para fazer pasta de papel. Ele falou de " carvão branco " em 1878 em Grenoble , depois na feira de Lyon em 1887 e na Exposição Universal de Paris em 1889 .
A partir dos anos 1900 , o progresso tecnológico da hidroeletricidade suíça deu origem a intensa especulação no mercado de ações sobre empresas hidrelétricas , o que beneficiou os estabelecimentos industriais nos Alpes .
Na década de 1920 , uma rápida expansão da eletricidade viu a luz do dia na França, com um aumento de oito vezes na produção de eletricidade hidráulica graças às primeiras barragens.
Em 1925 , Grenoble organizou a Exposição Internacional de Carvão Branco .
Existem três formas principais de geração de energia hidrelétrica:
As usinas gravimétricas são aquelas que aproveitam a energia potencial associada à diferença de nível entre o reservatório e a usina. As usinas podem ser classificadas em três tipos de operação, determinando um atendimento diferenciado para o sistema elétrico. Esta classificação é feita de acordo com a constante de esvaziamento, que corresponde ao tempo teórico que seria necessário para esvaziar a reserva turbinando na potência máxima.
Classificação por tipo de operaçãoAssim, distinguimos:
As usinas a fio de água, principalmente instaladas em áreas de várzea, têm reservatórios baixos por essas razões. Usam o caudal do rio tal como está, sem capacidade significativa de modulação por armazenamento. Eles fornecem energia de base muito barata. São típicos dos empreendimentos realizados em grandes rios como o Ródano e o Reno .
As usinas “travadas” possuem lagos maiores, permitindo que sejam moduladas durante o dia ou mesmo durante a semana. A sua gestão permite acompanhar a variação do consumo ao longo destes horizontes horários (picos de consumo de manhã e à noite, diferença entre dias úteis e fins de semana, etc. ). Eles são típicos das instalações realizadas em montanhas médias.
Os "lagos centrais" correspondem às estruturas com os reservatórios mais importantes. Estes permitem um armazenamento sazonal de água, e uma modulação da produção para ultrapassar os picos de carga de consumo elétrico: o verão para os países onde o pico de consumo é determinado pelo ar condicionado, o inverno para aqueles onde é determinado pelo aquecimento. Essas usinas são típicas das instalações realizadas em montanhas médias e altas.
Os dois últimos tipos de lagos permitem pela retenção de água um certo armazenamento de energia ( energia potencial de queda ), permitindo suavizar, pelo menos parcialmente, a produção de eletricidade.
Classificação por tipo de recheioTambém é possível classificar as usinas de acordo com as características de enchimento de seu reservatório, o que condiciona o uso elétrico que pode ser feito delas.
Por exemplo, o enchimento de certos reservatórios pode ser estatisticamente obtido em uma base semanal, sazonal, anual ou mesmo plurianual, no caso de corpos d'água muito grandes, como o reservatório de Caniapiscau , criado como parte do projeto James Bay . , em Quebec . É óbvio que a velocidade de enchimento tem um impacto direto na flexibilidade de uso.
Classificação por altura de quedaFinalmente, podemos classificar as estruturas de acordo com sua altura de queda, ou seja, a diferença de altitude entre o espelho teórico do tanque cheio e da turbina. Essa altura de queda determina os tipos de turbinas usadas.
Assim, distinguimos:
Entre esses três tipos de classificação, não há equivalência estrita, mas uma forte correlação:
A produção de uma hidrelétrica depende das contribuições dos rios que a alimentam, oscilando conforme as estações e ano a ano conforme a precipitação. A produção hidrelétrica do Brasil caiu 16% entre 2011 e 2015 devido a uma série de anos de seca, apesar do comissionamento de várias novas barragens. Em Espanha, observam-se variações ainda mais extremas: + 56,1% em 2010, -27,7% em 2011, -26,6% em 2012, + 69,9% em 2013; -47,1% em 2017 e + 74,4% em 2018.
Reservatórios em usinas de lagos são um meio de armazenamento que pode ajudar a compensar a sazonalidade da precipitação, bem como a demanda. Eles raramente têm volume suficiente para compensar as variações de ano para ano.
As estações de transferência de energia bombeada (ETARs), além de sua produção de energia a partir do fluxo natural, incluem um modo de bombeamento que permite que a energia produzida por outros tipos de usinas seja armazenada quando o consumo for menor do que a produção, por exemplo, à noite, para redistribuir em modo turbina, durante picos de consumo.
Essas usinas possuem duas piscinas, um tanque superior e uma bacia inferior entre os quais está posicionada uma Máquina hidroelétrica reversível : a parte hidráulica pode operar tanto na bomba , na turbina e na parte elétrica ambas motor desse alternador ( Máquina síncrona ). No modo de acumulação, a máquina usa a energia disponível na rede para elevar a água da bacia inferior para a bacia superior e no modo de produção a máquina converte a energia potencial gravitacional da água em eletricidade.
A eficiência (relação entre a eletricidade consumida e a eletricidade produzida) é da ordem de 82%.
Este tipo de planta é de interesse econômico quando os custos marginais de produção variam significativamente ao longo de um determinado período de tempo (dia, semana, estação, ano, etc. ). Eles permitem armazenar a energia da gravidade, nos períodos em que esses custos são baixos, para tê-la disponível nos períodos em que são altos.
Este é o caso, por exemplo, se houver variações recorrentes significativas na demanda (entre verão e inverno, dia ou noite, etc. ), produções "fatais" em grandes quantidades, que de outra forma seriam perdidas ( energia eólica ) ou baixo produção de energia de base modulável (carvão, hidráulica de fio d'água).
Uma estação de energia das marés é uma usina hidrelétrica que usa a energia das marés para gerar eletricidade. A central de energia das marés de Rance, comissionada em 1966, para compensar a baixa produção de eletricidade na Bretanha, é um exemplo disso.
Das ondasOs japoneses se interessaram primeiro pelo aumento dos recursos em 1945, seguidos pela Noruega e pelo Reino Unido .
No início do mês deAgosto de 1995, Ocean Swell Powered Renewable Energy ( OSPREY), a primeira estação de energia a usar energia das ondas, está localizada no norte da Escócia . O princípio é o seguinte: as ondas entram numa espécie de caixa submersa, aberta na base, empurram o ar para as turbinas que operam os alternadores gerando eletricidade. Este último é então transmitido por cabo submarino até a costa, a cerca de 300 metros de distância. A usina tinha potência de 2 MW , infelizmente essa obra, danificada pelas ondas, foi destruída pela cauda do furacão Félix em 2007. Seus criadores não desanimam, e uma nova máquina, menos cara e mais eficiente, está atualmente em foco . Deve permitir o fornecimento de eletricidade a pequenas ilhas que não a dispõem e uma estação de dessalinização de água do mar .
Das correntes marítimasUm projeto da empresa britânica Marine Current Turbines (in) planeja implantar turbinas que utilizam correntes oceânicas semelhantes à hélice de um barco para gerar eletricidade.
A água que dá origem à energia hidroeléctrica é armazenável: a produção de electricidade pode assim ser armazenada fora do horário de pico para utilização nos horários de ponta , ou seja, quando a procura é maior na rede rede pública de distribuição de electricidade; também pode ser armazenado durante os fins de semana para ser turbinado durante a semana, ou mesmo armazenado na primavera durante o degelo para ser turbinado no inverno. A produção de hidroeletricidade é limitada pela vazão e pelas reservas de água disponíveis; essas reservas dependem do clima , do bombeamento realizado a montante dos reservatórios (por exemplo, para irrigação ) e do tamanho dos reservatórios de água (barragens).
A capacidade hidrelétrica instalada no mundo atingiu 1.330 GW no final de 2020, um aumento de 1,6%, e a produção hidrelétrica foi estimada em 4.370 TWh , um aumento de 1,5%. As novas adições de capacidade atingiram 21 GW em 2020, contra 15,6 GW em 2018. Quase dois terços dessas adições foram feitas na China: 13,8 GW ; entre os países que instalaram novas capacidades, apenas a Turquia superou o megawatt: 2,5 GW . A China domina amplamente o ranking dos países por capacidade instalada com 370,2 GW , ou 27,8% do total mundial, seguida pelo Brasil (109,3 GW ). As usinas bombeadas têm um total de 160 GW de capacidade instalada e 9.000 GWh de capacidade de armazenamento. As novas instalações em 2020 atingiram 1,5 GW, incluindo 1,2 GW na China.
Em 2019, as novas adições de capacidade atingiram 15,6 GW , contra 21,8 GW em 2018. Os países com as maiores capacidades instaladas são Brasil: 4,92 GW , China: 4,17 GW e Laos: 1,89 GW .
A participação da energia hidrelétrica na produção global de eletricidade em 2019 é estimada pela BP em 15,6%. Sua produção aumentou 0,8% em 2019 e 22,5% desde 2009.
De acordo com o The World Factbook , a hidráulica representou 18,7% da energia elétrica mundial em 2012 e 10,7% na Europa em 2011.
A participação da energia hidroelétrica na produção é inferior à sua participação na capacidade instalada: 15,9% da produção mundial de eletricidade em 2017 (contra 20,9% em 1973), mas desempenha um papel particularmente importante na garantia do equilíbrio instantâneo entre a produção e o consumo de eletricidade; na verdade, a energia hidrelétrica é, graças à sua flexibilidade (pode ser mobilizada em poucos minutos), uma variável de ajuste essencial porque a energia elétrica é muito difícil de armazenar em grandes quantidades.
Região |
Potência total no final de 2020 ( GW ) |
dos quais GW bombeado de armazenamento |
Adições de 2020 GW |
Produção de 2020 ( TWh ) |
Parte 2020 |
África | 38,2 | 3,4 | 0,94 | 139,5 | 3,2% |
Ásia Meridional e Central | 154,4 | 7,8 | 1,61 | 498 | 11,4% |
Leste Asiático e Pacífico | 501,5 | 69,5 | 14,47 | 1643 | 37,6% |
Europa | 254,5 | 54,9 | 3,03 | 674 | 15,4% |
América do Norte e Central | 204,8 | 23,0 | 0,53 | 724 | 16,6% |
América do Sul | 176,8 | 1.0 | 0,48 | 690 | 15,8% |
Mundo | 1330,1 | 159,5 | 21 | 4.370 | 100% |
Principais países produtores | |||||
China | 370,2 | 31,5 | 13,76 | 1.355 | 31,0% |
Brasil | 109,3 | 0,03 | 0,21 | 409,5 | 9,4% |
Canadá | 82,0 | 0,2 | 0,27 | 383 | 8,8% |
Estados Unidos | 102,0 | 22,9 | 0,02 | 291 | 6,7% |
Rússia | 49,9 | 1,4 | 0,38 | 196 | 4,5% |
Índia | 50,5 | 4,8 | 0,48 | 155 | 3,5% |
Noruega | 33,0 | 1,4 | 0,32 | 141,7 | 3,2% |
Japão | 50,0 | 27,6 | 0,11 | 89,2 | 2,0% |
Peru | 31,0 | - | 2,48 | 77,4 | 1,8% |
Venezuela | 15,4 | - | - | 72,0 | 1,6% |
Suécia | 16,5 | 0,1 | - | 71,6 | 1,6% |
França | 25,5 | 5,8 | - | 64,8 | 1,5% |
Vietnã | 17,1 | - | 0,08 | 52,0 | 1,2% |
Paraguai | 8,8 | - | - | 49,3 | 1,1% |
Itália | 22,6 | 7,7 | - | 47,7 | 1,1% |
Colômbia | 11,9 | - | 0,02 | 45,8 | 1,0% |
Áustria | 14,6 | 5,6 | - | 42,5 | 1,0% |
suíço | 16,9 | 3,0 | - | 40,6 | 0,9% |
Fonte de dados: International Hydropower Association. |
A capacidade instalada das usinas bombeadas atingiu 159.494 MW , incluindo 31.490 MW na China (19,7%), 27.637 MW no Japão (17,3%) e 22.855 MW nos Estados Unidos (14,3%); esses três países respondem por 51,3% do total mundial.
Os maiores produtores de hidroeletricidade em 2017 foram China (28,3%), Canadá (9,4%), Brasil (8,8%) e Estados Unidos (7,7%). Mas o lugar dessa energia renovável na produção nacional de eletricidade é muito variável e cinco países se destacam com participações de 95,7% na Noruega, 62,9% no Brasil, 59,6% no Canadá, 44,8% no Vietnã e 39,7% na Suécia.
Apesar dos custos de implementação geralmente altos, os custos de manutenção são razoáveis, as instalações são projetadas para durar muito tempo, não há custo de combustível e a energia da água é renovável se gerida de maneira adequada. O custo por kWh varia consideravelmente em função das características da instalação realizada; o de barragens gigantes em grandes rios pode ser extremamente baixo, atraindo indústrias eletrointensivas como o alumínio; mas as fábricas de alto custo podem ser muito lucrativas devido à sua flexibilidade de operação e capacidade de regular a produção geral.
A hidroeletricidade é considerada uma energia renovável, ao contrário do petróleo ou do gás natural .
Algumas pesquisas lançam dúvidas sobre o balanço de gases de efeito estufa dos sistemas hidrelétricos. A atividade bacteriológica nas águas das barragens, principalmente nas regiões tropicais, liberaria grandes quantidades de metano (gás com efeito estufa 20 vezes mais potente que o CO 2) Em projetos de barragens, a produção de hidroeletricidade é frequentemente complementar, outras finalidades como o controle de enchentes e suas consequências, a melhoria da navegabilidade de um curso de água, o abastecimento de água aos canais, a constituição de estoques de água para irrigação, turismo. ..
Desde a criação da Barragem das Três Gargantas no rio Yangzi , na China, em 2014, este país tem sido líder na produção de hidroeletricidade, na Ásia, mas também na África e na América do Sul. As questões econômicas de tais construções, assim como a luta contra o aquecimento global, prevalecem sobre outras questões ecológicas.
Os impactos ambientais variam com o tipo e tamanho da estrutura implantada: são baixos quando se trata de explorar cachoeiras naturais, correntes marítimas, ondas, mas tornam-se muito importantes se se trata de explorar cachoeiras naturais, correntes marítimas, ondas. trata-se de criar barragens e reservatórios artificiais de água. Neste último caso, geralmente se critica o desaparecimento de terras agrícolas e aldeias (levando a deslocamentos populacionais), bem como a interrupção do movimento da fauna (não apenas aquática) e, sobretudo, de todo o ecossistema circundante.
Alguns exemplos notáveis de grande impacto ambiental são:
Além das consequências devido aos reservatórios de água, como o colapso de deltas, terremotos, os desastres podem ser devido à construção das próprias estruturas. Assim, o rompimento em 2018 de uma barragem no rio Pian, afluente do Mekong, construída, como muitas barragens no Laos , sem nenhum estudo de impacto real, deixou 6.600 pessoas desabrigadas e fez mais de uma centena de vítimas. O desastre afetou as águas do rio Mekong , que engolfou 17 aldeias no Camboja .