Como funcionam as usinas hidrelétricas

Em todo o mundo, as usinas hidrelétricas produzem cerca de 24% da eletricidade mundial e fornecem energia para mais de 1 bilhão de pessoas. As usinas hidrelétricas do mundo produzem um total combinado de 675.000 megawatts, o equivalente energético a 3,6 bilhões de barris de petróleo, segundo o Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL). Existem mais de 2.000 usinas hidrelétricas em operação nos Estados Unidos, tornando a energia hidrelétrica a maior fonte de energia renovável do país.
Neste artigo, vamos analisar como a água em queda cria energia e aprender sobre o ciclo hidrológico que gera o fluxo de água essencial para a geração de energia hidrelétrica. Você também terá um vislumbre de uma aplicação singular da energia hidrelétrica que pode afetar seu dia a dia.
Ao observar um rio correndo, é difícil imaginar a força que ele carrega. Se você já praticou rafting em corredeiras, então sentiu uma pequena parte do poder do rio. As corredeiras são criadas quando um rio, carregando uma grande quantidade de água rio abaixo, se estreita em uma passagem estreita. À medida que o rio é forçado a passar por essa abertura, seu fluxo aumenta. As enchentes são outro exemplo da enorme força que um volume imenso de água pode exercer.
As usinas hidrelétricas aproveitam a energia da água e utilizam mecanismos simples para converter essa energia em eletricidade. Na verdade, as usinas hidrelétricas são baseadas em um conceito bastante simples: a água que flui através de uma barragem gira uma turbina, que por sua vez gira um gerador.

Aqui estão os componentes básicos de uma usina hidrelétrica convencional:
Barragem – A maioria das usinas hidrelétricas depende de uma barragem que represa a água, criando um grande reservatório. Frequentemente, esse reservatório é usado como um lago recreativo, como o Lago Roosevelt na Barragem Grand Coulee, no estado de Washington.
Captação – As comportas da barragem se abrem e a gravidade puxa a água através da conduta forçada, um tubo que leva à turbina. A água acumula pressão à medida que flui por esse tubo.
Turbina – A água incide sobre as grandes pás de uma turbina, que gira e está conectada a um gerador acima dela por meio de um eixo. O tipo mais comum de turbina para usinas hidrelétricas é a turbina Francis, que se assemelha a um grande disco com pás curvas. Uma turbina pode pesar até 172 toneladas e girar a uma velocidade de 90 rotações por minuto (rpm), de acordo com a Fundação para Educação em Água e Energia (FWEE).
Geradores – Conforme as pás da turbina giram, uma série de ímãs dentro do gerador também gira. Ímãs gigantes giram em torno de bobinas de cobre, produzindo corrente alternada (CA) ao movimentar elétrons. (Você aprenderá mais sobre como o gerador funciona posteriormente.)
Transformador – O transformador dentro da central elétrica recebe a corrente alternada e a converte em corrente de tensão mais alta.
Linhas de transmissão de energia – De cada usina elétrica saem quatro fios: as três fases da energia que estão sendo produzidas simultaneamente, mais um neutro ou terra comum às três. (Leia Como Funcionam as Redes de Distribuição de Energia para saber mais sobre a transmissão de energia por linhas de transmissão.)
Efluente – A água utilizada é transportada por tubulações, chamadas de canais de descarga, e retorna ao rio a jusante.
A água no reservatório é considerada energia armazenada. Quando as comportas se abrem, a água que flui pela tubulação forçada transforma-se em energia cinética, pois está em movimento. A quantidade de eletricidade gerada é determinada por diversos fatores. Dois desses fatores são o volume de água que flui e a altura da queda d'água. A altura da queda d'água refere-se à distância entre a superfície da água e as turbinas. À medida que a altura da queda d'água e a vazão aumentam, a eletricidade gerada também aumenta. A altura da queda d'água geralmente depende da quantidade de água no reservatório.

Existe outro tipo de usina hidrelétrica, chamada usina de bombeamento. Em uma usina hidrelétrica convencional, a água do reservatório flui através da usina, sai e é levada rio abaixo. Uma usina de bombeamento possui dois reservatórios:
Reservatório superior – Assim como em uma usina hidrelétrica convencional, uma barragem cria um reservatório. A água desse reservatório flui através da usina hidrelétrica para gerar eletricidade.
Reservatório inferior – A água que sai da usina hidrelétrica flui para um reservatório inferior, em vez de retornar ao rio e seguir rio abaixo.
Utilizando uma turbina reversível, a usina pode bombear água de volta para o reservatório superior. Isso é feito fora dos horários de pico. Essencialmente, o segundo reservatório reabastece o reservatório superior. Ao bombear água de volta para o reservatório superior, a usina dispõe de mais água para gerar eletricidade durante os períodos de consumo máximo.

O Gerador
O coração de uma usina hidrelétrica é o gerador. A maioria das usinas hidrelétricas possui vários desses geradores.
O gerador, como você já deve ter imaginado, gera eletricidade. O processo básico de geração de eletricidade dessa maneira consiste em girar uma série de ímãs dentro de bobinas de fio. Esse processo movimenta elétrons, o que produz corrente elétrica.
A Barragem Hoover possui um total de 17 geradores, cada um com capacidade de gerar até 133 megawatts. A capacidade total da usina hidrelétrica da Barragem Hoover é de 2.074 megawatts. Cada gerador é composto por algumas peças básicas:
Haste
Excitador
Rotor
Estator
Conforme a turbina gira, o excitador envia uma corrente elétrica para o rotor. O rotor é uma série de grandes eletroímãs que giram dentro de uma bobina de fio de cobre bem enrolada, chamada estator. O campo magnético entre a bobina e os eletroímãs cria uma corrente elétrica.
Na barragem Hoover, uma corrente de 16.500 amperes passa do gerador para o transformador, onde a corrente aumenta para 230.000 amperes antes de ser transmitida.

As usinas hidrelétricas aproveitam um processo natural e contínuo — o processo que causa a chuva e a cheia dos rios. Diariamente, nosso planeta perde uma pequena quantidade de água através da atmosfera, conforme os raios ultravioleta quebram as moléculas de água. Mas, ao mesmo tempo, nova água é emitida do interior da Terra por meio da atividade vulcânica. A quantidade de água criada e a quantidade de água perdida são praticamente iguais.
Em qualquer momento, o volume total de água no mundo encontra-se em muitas formas diferentes. Pode ser líquida, como nos oceanos, rios e chuva; sólida, como nas geleiras; ou gasosa, como no vapor de água invisível no ar. A água muda de estado à medida que é transportada pelo planeta pelas correntes de vento. As correntes de vento são geradas pela atividade térmica do Sol. Os ciclos das correntes de ar são criados pela maior incidência solar no equador do que em outras regiões do planeta.
Os ciclos das correntes de ar impulsionam o suprimento de água da Terra por meio de um ciclo próprio, chamado ciclo hidrológico. À medida que o sol aquece a água líquida, ela evapora, transformando-se em vapor na atmosfera. O sol aquece o ar, fazendo com que ele suba na atmosfera. O ar é mais frio em altitudes mais elevadas, então, conforme o vapor de água sobe, ele esfria e se condensa em gotículas. Quando gotículas suficientes se acumulam em uma área, elas podem ficar pesadas o bastante para cair de volta à Terra como precipitação.
O ciclo hidrológico é importante para as usinas hidrelétricas porque elas dependem do fluxo de água. Se houver falta de chuva perto da usina, a água não se acumulará a montante. Sem água acumulada a montante, menos água flui pela usina hidrelétrica e menos eletricidade é gerada.