A força das águas | Nova Escola Clube
Analisar e discutir o aproveitamento da energia hídrica para geração de eletricidade
Ao lado dos aspectos ambientais salientados na reportagem de VEJA, merece atenção a necessidade de aumento da geração de energia para os próximos anos. Nossa matriz energética concentra-se nas hidrelétricas, que oferecem elevado rendimento com custos razoáveis. O aproveitamento da energia cinética num fluxo de água para geração de eletricidade pode ensejar bons exercícios.
Leia a reportagem com a turma. Ao terminar, conte que há duas maneiras de lidar com a questão energética: uma é aumentar a disponibilidade de eletricidade, outra é reduzir seu consumo. Ressalte que a segunda hipótese não significa, necessariamente, diminuir a atividade econômica, e sim racionalizá-la. Examine as diferentes formas de geração de energia elétrica no Brasil. Assinale que a maior parte dela - pouco mais de três quartos - vem de hidrelétricas. As termelétricas convencionais respondem por cerca de um quinto do total e o restante corresponde à produção nuclear e às chamadas fontes alternativas.
Sugira um levantamento das regiões do país onde se destaca uma ou outra forma de geração energética.
Vale lembrar que, quanto à origem, existem poucos tipos de energia disponíveis:
Nuclear (presente no núcleo de elementos químicos "pesados");
Solar (energia radiante gerada a partir da energia nuclear e gravitacional de núcleos de elementos do Sol);
Química (armazenada nas estruturas atômicas e moleculares);
Gravitacional terrestre (acumulada como energia potencial no campo de gravidade da Terra); e
Geotérmica (agitação molecular armazenada no interior da Terra).
Comente que as demais denominações dos tipos de energia podem ser reduzidas a variações dessas. A energia hidrelétrica, por exemplo, tem, em última instância, origem na solar, armazenada na forma de energia potencial gravitacional terrestre. Ou seja, a energia radiante proveniente do Sol aquece as águas superficiais, que evaporam e ascendem com o ar igualmente quente, condensando-se em nuvens carregadas por ventos (também produzidos pelo aquecimento diferencial provocado pela radiação solar) para regiões onde se precipitam em forma de gotas, neve ou granizo. Esse material é retido temporariamente no solo e na superfície, escoando por meio da gravidade através de canais subterrâneos ou superficiais. É desse "ciclo das águas" que se valem as usinas hidrelétricas, aproveitando a passagem do produto das chuvas das regiões mais altas para as mais baixas.
Converse com a classe a respeito das máquinas hidráulicas primitivas, como o monjolo e a roda-d'água. Depois, examine os detalhes de uma hidrelétrica, lembrando que se trata, basicamente, de um transdutor que transforma a energia cinética das águas (em queda, a exemplo do que ocorre nas usinas tradicionais de Itaipu, Balbina e Tucuruí, ou em fluxo suave, como nas futuras instalações de Santo Antônio e Jirau). Cada unidade geradora é constituída de uma turbina, posta a girar pela água em movimento, e um gerador acoplado a ela.
Explique que há vários tipos de turbina empregados para casos específicos, de acordo com os custos e rendimentos em jogo. De modo geral, unidades geradoras de hidreletricidade apresentam rendimentos superiores a 85%, o que é bastante alto em comparação com outros processos de geração. Discuta as diferenças relativas ao escoamento da água: existem situações em que o fluxo é pequeno, porém com grande desnível (dezenas de metros) ou, inversamente, desnível reduzido e fluxo grande, caso das usinas de Santo Antônio e Jirau. As turbinas bulbo que as equipam foram desenvolvidas na Europa na década de 1950 para o aproveitamento, em usinas maremotrizes, de pequenos desníveis produzidos por marés. No Brasil, elas são pouco utilizadas atualmente.
Saliente que, de modo geral, todos os tipos de turbina podem ser usados, com adaptações, para funcionar com pequenas ou grandes vazões. A potência é sempre proporcional ao desnível (H) e à vazão (Q), e seu valor máximo pode ser calculado por:
Pmáx = rQHg, em que r (rô) é a densidade do fluido (água) e g é a aceleração da gravidade.
Aproveite para apresentar essa equação à moçada, que deve deduzi-la partindo de uma análise dimensional da mesma.
Chamando de h (eta ou ita) a eficiência total da turbina, temos a potência dada por: P = rQHgh
Uma boa característica da energia hídrica é que ela pode ser facilmente armazenada em represas, naturais ou artificiais. Isso permite manter um fluxo (e, portanto, a potência gerada) adequado por longos períodos. Aproveite para introduzir ou rever com os estudantes os principais conceitos envolvidos na transdução da energia mecânica para energia elétrica nos geradores. De quebra, analise o precursor dos geradores, o disco de Faraday.
Se tiver tempo, construa esse dispositivo com os alunos e demonstre que, num fio condutor (bobina) movendo-se num campo magnético (entre pólos de ímãs fixos), circula uma corrente induzida proporcional à velocidade imprimida ao condutor. Explique que o disco de Faraday, usado de modo inverso - isto é, quando submetido à passagem de corrente elétrica -, recebe o nome de roda de Barlow, da mesma maneira que os geradores, quando funcionam ao contrário, são denominados motores.
Ensine que todo gerador tem um eixo solidário a um rotor, que gira sobre mancais fixos num estator (a carcaça). Funcionalmente, estator e rotor podem ser, de forma excludente, indutor (que produz o campo magnético) ou induzido (onde é gerada corrente elétrica pelo campo magnético). Os geradores têm capacidade de fornecer corrente alternada (alternadores) ou corrente contínua pulsante (dínamos). Normalmente, nos dínamos o rotor é o induzido e o contrário se dá nos alternadores.
Empreendimentos em operação no Brasil
A potência outorgada é aquela considerada no ato de outorga. A potência fiscalizada é aferida quando a primeira unidade geradora entra em operação comercial. As porcentagens referem-se à potência fiscalizada.