Universidade Federal de Juiz de Fora Faculdade de Engenharia Graduação em Engenharia Elétrica Pedro Augusto Bremer de Toledo Sistemas de armazenamento de energia: uma visão das usinas hidrelétricas reversíveis Juiz de Fora 2019 Pedro Augusto Bremer de Toledo Sistemas de armazenamento de energia: uma visão das usinas hidrelétricas reversíveis Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Graduação em Engenharia Elétrica da Uni- versidade Federal de Juiz de Fora, na área de Sistemas de Potência, como requisito par- cial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. Orientador: Israel Filipe Lopes Juiz de Fora 2019 Ficha catalográfica elaborada através do Modelo Latex do CDC da UFJF com os dados fornecidos pelo(a) autor(a) Toledo, Pedro. Sistemas de armazenamento de energia : uma visão das usinas hidrelé- tricas reversíveis / Pedro Augusto Bremer de Toledo. – 2019. 32 f. : il. Orientador: Israel Filipe Lopes Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade Federal de Juiz de Fora, Faculdade de Engenharia. Graduação em Engenharia Elétrica, 2019. 1. Armazenamento de energia. 2. Usinas hidrelétricas reversíveis. 3. Integração de renováveis. I. Lopes, Israel, orient. II. Título. Pedro Augusto Bremer de Toledo Sistemas de armazenamento de energia: uma visão das usinas hidrelétricas reversíveis Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Graduação em Engenharia Elétrica da Uni- versidade Federal de Juiz de Fora, na área de Sistemas de Potência, como requisito par- cial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. Aprovada em: BANCA EXAMINADORA Professor. Dr. Israel Filipe Lopes - Orientador Universidade Federal de Juiz de Fora Professor Dr. Igor Delgado de Melo Universidade Federal de Juiz de Fora RESUMO As fontes renováveis passam por uma expansão na geração de eletricidade no Brasil e no mundo, influenciado pela maior competitividade e também por preocupações ambientais. As principais fontes, eólica e solar, estão naturalmente relacionadas à imprevisibilidade dos recursos necessários para gerar energia. Esse comportamento dificulta a operação da rede, que deve gerar energia de acordo com a demanda, em tempo real. O armazenamento de energia excedente de momentos que há baixo consumo para ser usada quando for mais demandada contribui para atender as cargas com maior confiabilidade. As usinas hidrelétricas reversíveis são a tecnologia mais utilizada no mundo para armazenar energia elétrica em grande escala. Este trabalho apresenta uma revisão da literatura sobre o armazenamento de energia elétrica, com enfoque maior nas hidrelétricas reversíveis. No texto é descrito princípios gerais das tecnologias de armazenamento mais utilizadas. É analisado a associação de hidrelétricas reversíveis com a geração renovável, discutido desafios na implementação da tecnologia, além de demonstrado a utilização no cenário global e brasileiro. Palavras-chave: Armazenamento de energia. Usinas hidrelétricas reversíveis. Integração de renováveis. ABSTRACT Renewable sources are undergoing an expansion in electricity generation in Brazil and worldwide, influenced by increased competitiveness as well as environmental concerns. The main sources, wind and solar, are naturally related with the unpredictability of their power supply. This behavior makes difficult to operate the grid, which must generate power on demand, in real time. Storage of excess energy at times of low power usage in order to be used when it is most required helps meet the loads with greater reliability. Reversible hydropower plants are the most widely used technology in the world for storing large-scale electricity. This paper presents a literature review on electric energy storage, focusing on pumped hydropower storage. The text describes general principles of the most commonly used storage technologies. Reversible hydropower plants associated with renewable generation is analyzed, challenges in technology implementation are discussed, as well as its utilization in the global and Brazilian scenario. Key-words: Energy storage. Pumped hydropower storage. Renewable integration. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 – Redução do preço médio da bateria de lítio nos últimos anos . . . . . . 15 Figura 2 – Ilustração de uma usina hidrelétrica reversível típica . . . . . . . . . . 16 Figura 3 – Simulação de atendimento da demanda por parques eólicos com e sem reservação hidráulica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Figura 4 – Potência instalada de armazenamento hidrelétrico por país . . . . . . . 23 Figura 5 – Esquema geral do aproveitamento hidrelétrico do Complexo Lajes . . . 24 Figura 6 – Planta geral e planta de localização do projeto pré-dimensionado no estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Figura 7 – Imagem aérea da usina hidrelétrica reversível de Bath County . . . . . 27 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ADB Banco Asiático de Desenvolvimento ARES Armazenamento Avançado de Energia em Trilhos ASCE Sociedade Americana de Engenheiros Civis CEIVAP Comitê de Integração da Bacia Hidrográfica do Rio Paraíba do Sul CHESF Companhia Hidrelétrica do São Francisco CHINCOLD Comitê Nacional Chinês de Grandes Barragens DOE Departamento de Energia dos Estados Unidos EPE Empresa de Pesquisa Energética IEA Agência Internacional de Energia IRENA Agência Internacional para as Energias Renováveis ISRM Sociedade Internacional de Mecânica das Rochas UE Usina Elevatória UFJF Universidade Federal de Juiz de Fora UHE Usina Hidrelétrica UHR Usina Hidrelétrica Reversível NGK Companhia Japonesa de Isolantes ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico PDE Plano Decenal de Expansão de Energia SIN Sistema Interligado Nacional USD Dólar americano LISTA DE SÍMBOLOS P H Potência hidráulica γ Peso específico Q Vazão ∆ H Variação de altura η Rendimento h f Perda de carga f Fator de atrito L Comprimento da tubulação D Diâmetro interno do tubo V Velocidade do líquido g Aceleração da gravidade SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1 O DESAFIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 AS SOLUÇÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 OBJETIVO DO TRABALHO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.1 Estrutura do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2 SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA . . . . 12 2.1 ARMAZENAMENTO EM ENERGIA MECÂNICA . . . . . . . . . . . 12 2.1.1 Hidrelétrica reversível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.2 Ar comprimido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.3 Volante de inércia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 ARMAZENAMENTO EM BATERIAS ELETROQUÍMICAS . . . . . . 13 2.2.1 Bateria de chumbo-ácido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.2 Bateria de sódio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.3 Bateria de lítio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3 USINAS HIDRELÉTRICAS REVERSÍVEIS (UHR) . . . . . 16 3.1 FUNDAMENTOS DA TECNOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1.1 Reservatórios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1.2 Conjunto reversível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.3 Eficiência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.4 Evaporação e infiltração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.5 Condutos forçados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2 INTEGRAÇÃO DAS FONTES RENOVÁVEIS . . . . . . . . . . . . . . 19 3.3 DESAFIOS DE IMPLEMENTAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.4 EXEMPLOS DA TECNOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.4.1 Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.4.2 China . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.4.3 Estados Unidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.5 CUSTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 9 1 INTRODUÇÃO Energia é um insumo básico para o desenvolvimento econômico de um país, sendo praticamente impossível mensurar a real magnitude de seu impacto na construção dos padrões de vida atuais. Em geral, quanto maior o consumo per capita de energia em um país, melhor é o padrão de vida do seu povo. Na natureza a energia existe em diversas formas, entretanto para o homem moderno a energia elétrica é talvez a mais importante. Isto porque: está presente de uma forma conveniente, podendo ser facilmente convertida para outras formas; é flexível, podendo ser eficientemente transportada de um local para outro; e possui controle fácil, podendo ser operada de uma infinidade de formas através dos mais diversos arranjos. A eletricidade é produzida usualmente através das seguintes fontes: os raios solares, os ventos, a água represada, a queima de combustíveis e a fissão nuclear. 1.1 O DESAFIO As hidrelétricas por muito tempo foram consideradas a melhor solução para geração limpa. Entretanto, a necessidade de topografia privilegiada, alto custo de implantação e os impactos nas cidades e ecossistemas locais decorrentes do alagamento de grandes áreas são fatores muito limitantes para a construção de novos empreendimentos desse tipo. A geração nuclear tem sido fortemente condenada devido à gravidade dos riscos em caso de acidentes. O mundo ainda depende fortemente dos combustíveis fósseis para suprir suas demandas energéticas, correspondendo há décadas a aproximadamente 70% da energia elétrica global produzida[ Xing, 2015 ]. Os impactos ambientais e na saúde das pessoas dessa dependência são sentidos globalmente, configurando um dos maiores desafios do século. A ascensão das fontes renováveis eólica e solar nos últimos anos indica a preocupação e urgência na transição para uma matriz energética mais respeitosa ao meio ambiente. Contudo, por natureza essas fontes são intermitentes e não-despacháveis. A dificuldade de manter preciso o balanço entre geração e consumo quando as renováveis compõem parcelas maioritárias na matriz representa uma fragilidade para sua implementação generalizada por questões de estabilidade do sistema de potência. 1.2 AS SOLUÇÕES Grandes esforços têm sido feitos para encontrar soluções viáveis para esta integração, incluindo armazenamento de energia, deslocamento de carga através de gestão da demanda, interconexão com redes externas, etc. Entre as possíveis soluções, o armazenamento de energia é reconhecido como a abordagem mais promissora[Xing, 2015]. 10 Do ponto de vista da estabilidade, os geradores de turbinas eólicas, diferente de geradores síncronos como das hidrelétricas, fornecem pouca ou nenhuma contribuição para regulação de frequência. A variação da potência injetada pelos painéis solares pode também degradar a estabilidade de tensão da rede devido à escassez ou excesso de energia. O casamento dos sistemas de armazenamento de energia com a geração por fontes renováveis coopera ao aliviar as intermitências que iriam para a rede, melhorando assim a qualidade e confiabilidade da energia. Adicionalmente, cumprem as exigências cada vez maiores de reservas, aumentando a eficiência do sistema ao garantir continuidade do fornecimento. Como os sistemas de armazenamento de energia são soluções por vezes caras, pode não ser economicamente viável utilizá-los para cumprir uma única aplicação. Possuem múltiplas funções atrativas para suporte à operação da rede e para balanceamento de carga que podem ser exploradas financeiramente no mercado de energia. Entre elas, a possibilidade de gerir a produção conforme o tempo torna possível atender às demandas de pico de carga, reduzindo assim a importação de energia elétrica de outras áreas nesses períodos. Algumas cargas possuem perfil de picos de potência, como plantas que fazem uso de maquinário pesado com partida rápida ou períodos de aquecimento, a citar fornos siderúrgicos. Nesses negócios, o custo de fornecimento de energia é impactado pela máxima potência demandada da rede pela planta. Havendo periodicidade ou previsibilidade desses picos de potência, é provável que haja também viabilidade financeira para a implementação de sistemas de armazenamento de energia para suavizar ou cortar os de picos de demanda. Um aspecto pouco abordado é que, como a potência consumida pela rede é flutuante e repleta de disparidade ao longo do dia, é predominante o sobredimensionamento dos equipamentos de geração e especialmente os de transmissão, que são desenhados para atender aos picos de demanda ao invés do consumo médio diário. O nivelamento de carga próximo aos consumidores finais possibilitado pelo armazenamento de energia ajudaria a tirar o máximo proveito da rede elétrica existente, permitindo seu uso por muitos anos vindouros. Este fornecimento local de energia acumulada, compensando as variações de carga ao longo das épocas do ano, possibilitaria utilizar sistemas de transmissão, subtransmissão e distribuição com desenhos muito mais leves e baratos[Ibrahim, 2008]. 1.3 OBJETIVO DO TRABALHO Este trabalho tem como fim examinar os sistemas de armazenamento de energia elétrica, tendo como foco as usinas hidrelétricas reversíveis. Investigar se a incorporação desses sistemas pode solucionar problemas de estabilidade decorridos da natureza inter- mitente das fontes renováveis. Avaliar limitações associadas aos sistemas hidrelétricos e se constituem entraves para a implementação dessa tecnologia. Levantar informações e custos associados a alguns empreendimentos no mundo. 11 1.3.1 Estrutura do trabalho O trabalho é organizado em quatro capítulos. Neste primeiro, é feito uma introdução ao estudo do armazenamento de energia. É comentado sobre o panorama da geração elétrica, o desafio que a expansão das fontes renováveis incorrem no setor e porque os sistemas de armazenamento de energia são determinantes para a corroborar com uma matriz limpa. No segundo capítulo é feito uma descrição das tecnologias de armazenamento mais empregadas atualmente em termos de potência, as diferenciando por suas peculiaridades. São explicitados os sistemas usando ar comprimido, volantes de inércia, baterias de chumbo, de sódio (ou sal fundido) e de lítio, e de maneira introdutória as hidrelétricas reversíveis. Já no terceiro capítulo, o estudo sobre as usinas hidrelétricas reversíveis é feito com mais detalhe, por representarem a principal tecnologia de armazenamento em grande escala. O funcionamento desse sistema é explicado, sendo comentado seus principais componentes. É feito então uma pesquisa que aborda a associação desse armazenamento com a geração eólica, a renovável intermitente atualmente com maior participação na matriz elétrica. São analisados empreendimentos no Brasil e no mundo e também apontados dificuldades na implementação da tecnologia. No quarto e último capítulo é realizado uma conclusão acerca do tema estudado, com ideias complementares para futuros trabalhos. 12 2 SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA A eletricidade é referida por vezes como um transportador de energia, ela não existe naturalmente, apesar de que fenômenos naturais podem criar eletricidade. Ela deve ser utilizada no mesmo momento que é gerada ou deve ser convertida imediatamente para formas facilmente armazenáveis, para então ser transformada de volta quando necessária. Existem diversas técnicas, utilizando de praticamente todas as formas de energia: seja mecânica, eletroquímica ou térmica. Estas variam consideravelmente, a depender da aplicação e dos critérios técnicos e econômicos do projeto. Na sequência serão citadas algumas tecnologias mais proeminentes. 2.1 ARMAZENAMENTO EM ENERGIA MECÂNICA 2.1.1 Hidrelétrica reversível A tecnologia em estágio de maior maturidade e mais utilizada para aplicações de grande escala é da Usina Hidrelétrica Reversível (UHR). É capaz de entregar potência de forma rápida, tipicamente em menos de um minuto. Sua capacidade de armazenamento depende da altura do aproveitamento e do volume de água no reservatório. O princípio é bem conhecido: em períodos em que a demanda é baixa, a estação gasta energia para bombear a água para o reservatório de maior elevação e quando a demanda for alta, a água então flui para o reservatório mais baixo, ativando as turbinas e gerando energia. Por ser o foco desse trabalho, essa tecnologia será abordada em detalhes no terceiro capítulo. Por causa das limitações geológicas e a necessidade de água, houveram diversas adaptações ao conceito das UHRs de forma a tentar contornar tais limitações. Dependem do uso inteligente da gravidade e geralmente envolvem algum tipo de massa sendo deslo- cada para diferentes elevações. Carrinhos de trem em rampas[ ARES, 2019 ] e blocos de concreto empilhados em torres[ Energy Vault, 2019 ] são exemplos de plantas de "baterias gravitacionais"atualmente em desenvolvimento. 2.1.2 Ar comprimido Em termos de capacidade e potência, a segunda maior tecnologia em estágio amadurecido utilizada atualmente é o armazenamento em ar comprimido. Compressor, reservatório de ar e expansor são os três principais componentes do sistema. Cavernas subterrâneas, minas de sal, campos de gás ou aquíferos são as opções de reservatório mais viáveis sob a ótica financeira. Durante o período fora de ponta, o ar é comprimido e armazenado no reservatório para que no período de pico seja liberado, aquecido e expandido para gerar eletricidade em uma turbina. Esse sistema se demonstra mais vantajoso em conjunto com turbinas a gás, porque estas consomem quase dois terços da potência disponível no período de compressão do ciclo Brayton. Assim, turbinas a 13 gás em conjunto com armazenamento em ar comprimido permitem entregar três vezes mais potência a partir da mesma quantidade de combustível, se comparado com as plantas convencionais[ Guney, 2017 ]. Como o ar é comprimido sob pressões enormes, uma das vantagens dessa tecnologia é o menor volume necessário para o reservatório. A eficiência da conversão é estimada em torno de 70% e a vida útil esperada da planta é de aproximadamente 40 anos[Aneke, 2016]. 2.1.3 Volante de inércia Um volante de inércia consegue armazenar energia cinética a partir do incremento de momento angular em uma massa rotativa, cilíndrica, acoplada ao eixo de um motor através rolamentos magnéticos e selada numa câmara de vácuo para reduzir as perdas por fricção. A existência destas perdas inviabilizam seu armazenamento por longo prazo. A eficiência instantânea atinge o ponto máximo de 85% logo após a carga, caindo para 78% após cinco horas e até 45% ao fim de um dia[ Aneke, 2016 ]. Uma das maiores vantagens dessa tecnologia é a capacidade de transicionar entre os modos de geração e armazenamento em poucos segundos, bastando mudar o modo operativo de motor para gerador. Esta resposta rápida traz a habilidade de resolver problemas de transitórios causados por repentinas mudanças de carga na rede, como por exemplo quedas de tensão que podem causar desligamento de regiões. Do ponto de vista operativo trata-se de um excelente modelo, uma vez que possui baixo custo de manutenção, longo ciclo de vida, grande robustez e ambientalmente amigável. Os volantes têm sido aplicados no setor de transporte ferroviário, para armazenar a energia devolvida pelas locomotivas elétricas graças aos freios regenerativos e assim garantir movimento em trechos não eletrificados da linha férrea[Guney, 2017]. 2.2 ARMAZENAMENTO EM BATERIAS ELETROQUÍMICAS As baterias são tidas como a forma mais antiga e mais amplamente usada de armazenar energia elétrica. Consistem em um número de células eletroquímicas conectadas em série ou paralelo, quem produzem eletricidade com a tensão desejada à partir de uma reação eletroquímica. Cada célula contém dois eletrodos, um anodo e um catodo, separados através de um eletrólito. Atualmente as maiores barreiras para sua implementação em larga escala são a pequena duração do ciclo de carga e os altos custos associados à sua aquisição e manutenção. Existem diferentes tipos de baterias, a depender dos materiais usados como eletrodo, e o estado físico em que se encontram. Este trabalho citará aquelas mais proeminantes, já em avançado estágio comercial, como as baterias de chumbo-ácido, de sódio e íon de lítio. 14 2.2.1 Bateria de chumbo-ácido Chumbo-ácido é o tipo de bateria recarregável mais antiga e ainda muito usada no mundo, em especial devido ao baixo custo e a quase inexistência de manutenção. Sua simplicidade e maturidade transmitem confiança e a resposta rápida a torna ideal para uso automotivo. É composto por um eletrodo de dióxido de chumbo e o outro de chumbo metálico, sendo o eletrólito de ácido sulfúrico em seu estado líquido. A densidade de energia é em torno de 30 Wh/kg e a densidade de potência é em torno de 150 W/kg. A eficiência do ciclo é alta, chegando a 90% e a taxa de descarga própria é muito baixa, representando apenas 0,3% por dia[Xing, 2015]. 2.2.2 Bateria de sódio As baterias de sódio ou empregam como eletrodo este elemento no estado líquido. Este elemento é muito atrativo por ser abundante na natureza, logo de baixo custo, não ser tóxico, ser leve e ter alto potencial de redução. As células destas baterias são construídas frequentemente em formato cilíndrico, contendo sódio fundido como anodo, separado do catodo por um eletrólito sólido composto por cerâmica de beta-alumina. Os materiais normalmente empregados no catodo são enxofre e níquel. Esta última configuração recebe também tetracloroaluminato de sódio como eletrólito, de forma que quando com carga o catodo se torna cloreto de níquel. Para o funcionamento adequado dessas baterias é fundamental garantir que os eletrodos estejam no estado líquido, o que ocorre entre 270 e 350 o C. Um sistema extra para manter a temperatura dentro dos limites operativos introduz um custo de operação alto à planta. Apesar desse entrave, essas baterias representam uma das poucas alternativas comercialmente viáveis de armazenamento em larga escala. Este potencial se faz graças a alta densidade de energia (até 170 Wh/m 3 ), ótima eficiência energética quando operado continuamente (85%), longa duração de descarga (até 7 h) com quase zero descarga própria e longa vida útil de até 15 anos (4500 ciclos de 80% de descarga)[ Zakeri, 2015 ]. Em 2016 entrou em operação um dos maiores bancos de bateria desse tipo em Fukuoka, no Japão. Nesta região, devido a mudanças tarifárias, a geração solar passou a exceder a demanda especialmente durante os dias de primavera e outono. A fabricante, NGK, foi capaz de implementar o projeto em apenas seis meses, graças a conteinerização do sistema. Com potência instalada de 50 MW e capaz de armazenar 300 MWh, este sistema otimiza o balanço entre geração e consumo ao absorver o excesso da produção solar, ao invés de limitá-la[NGK, 2019]. 2.2.3 Bateria de lítio Se popularizaram sendo aplicadas em aparelhos eletrônicos portáteis, em função de sua elevada densidade de energia (até 260 Wh/kg). Possui vida útil longa, em geral entre 1000 a 3000 ciclos de 80% de descarga, a depender do seu tipo. Com alta eficiência 15 (85-90%)[ Zakeri, 2015 ], as baterias de lítio possuem hoje perspectivas promissoras para uso no sistema de potência e nos veículos elétricos graças ao aprimoramento contínuo de sua fabricação e à longa tendência de declínio do seu preço final, como pode ser observado na Figura 1. A grande desvantagem está na fragilidade do seu tempo de vida em função da temperatura de funcionamento e da profundidade do ciclo de carga. Na sua construção, o catodo é composto por um óxido metálico de lítio e o anodo composto por grafite, sendo separados entre si pelo eletrólito, formado por sais de lítio dissolvidos em um líquido orgânico não-aquoso. Figura 1 – Redução do preço médio da bateria de lítio nos últimos anos Fonte: BloombergNEF, 2018 16 3 USINAS HIDRELÉTRICAS REVERSÍVEIS (UHR) 3.1 FUNDAMENTOS DA TECNOLOGIA A capacidade instalada e a quantidade de projetos ao redor do mundo atestam que os reservatórios hidrelétricos são até o presente a melhor opção para o armazenamento de energia elétrica em grande escala. As UHR somam aproximadamente 169 GW, correspon- dendo a 96% de toda a capacidade de armazenamento existente[ IRENA, 2017 ]. O principal uso dessas plantas é o deslocamento horário da geração de energia, porém também é utilizado para outros fins, como assegurar o fornecimento de energia, restabelecimentos black start 1 , aumentar o fator de capacidade da geração renovável, reserva girante, entre outros. Compõem como principais componentes deste sistema os reservatórios superior e inferior, bombas, motores, turbinas, geradores e os condutos hidráulicos. Essas usinas se baseiam no armazenamento de energia potencial gravitacional da água, através do bombeamento da mesma de um reservatório para outro de altura superior. Na Figura 2 é ilustrado de maneira simplificada o conceito dessas usinas. Figura 2 – Ilustração de uma usina hidrelétrica reversível típica Fonte: L. Xing, 2015 3.1.1 Reservatórios Os reservatórios podem ser construídos de forma similar a uma hidrelétrica con- vencional e podem também ser construídos em circuito fechado, não dependendo estar ao leito de um rio, e sim de apenas uma pequena realimentação de água para compensar o 1 Black start é a capacidade de uma usina de entrar em operação com recursos próprios 17 que foi perdido por evaporação e infiltração. Durante a prospecção por locais adequados, frequentemente busca-se grandes lagos ou rios para serem usados como reservatório inferior, desta forma é possível economizar os custos da construção de um dos reservatórios. Devido ao peso específico ( γ ) da água ser baixo em relação a outros materiais, a reservação hídrica possui baixa densidade de energia, logo um vasto corpo d’água é necessário. Um comportamento de crucial importância na avaliação econômica desses sistemas é que, para uma dada potência hidráulica ( P H ) de projeto e mesma eficiência de conversão ( η ), o aumento na altura da queda ( ∆ H ) implica em diminuição da vazão ( Q ) requirida, o que consequentemente resulta na redução do volume total a ser deslocado. Assim, é possível avaliar opções que minimizem as dimensões das barragens necessárias. Essas relações são equacionadas conforme a Equação 2.1. P H = γ · Q · ∆ H · η (3.1) Novos layouts das UHRs têm sido desenvolvidos com o intuito de ampliar a capacidade e diminuir os impactos ambientais. Por exemplo em regiões como na Europa, onde há escassez de lugares adequados na superfície, tem ganhado destaque o conceito de "UHR subterrânea", em que minas antigas ou outras cavidades podem vir a ser aproveitadas como o reservatório inferior. Em ilhas ou costas montanhosas, como as do Chile, foram propostos projetos que utilizam a água salgada dos mares como reservatório inferior. A única usina deste tipo já construída, no Japão, deixou de operar comercialmente nos últimos anos por não ter se mostrado lucrativa. Estas usinas têm que lidar com custos mais elevados de manutenção devido à natureza corrosiva da água salgada, além de crescimento de vida marinha nos componentes hidráulicos. Esses custos de manutenção mais elevados podem não compensar a economia de ter apenas um reservatório, fazendo sua viabilidade econômica no longo prazo ser incerta[McLean, 2014]. Quando os reservatórios são dimensionados com volume útil suficiente para acumular água durante os períodos de carga baixa e turbiná-la de volta durante períodos de carga alta, as usinas reversíveis podem atender a variação de carga ao longo do dia com bom rendimento econômico. Além dos ciclos diários, a partir da compensação semanal, é possível aproveitar da carga reduzida durante os finais de semana para acumulação da água. 3.1.2 Conjunto reversível Consiste de um motor-gerador e uma turbina-bomba que trabalham como bomba ou como turbina a depender a direção de rotação. Máquinas mais modernas permitem operação das turbinas-bombas com velocidade variável, usando máquina assíncrona ou máquina síncrona controlada com conversor de frequência. A operação com velocidade 18 variável estende os pontos operativos da turbina-bomba e permitem que o bombeamento seja ajustado de acordo com a quantidade de energia disponível. Essa função é capaz de estabilizar a rede eficientemente. A geometria da turbina-bomba prioriza a performance no bombeamento. Para realizarem essa função de forma mais estável, as turbinas-bombas devem possuir pás rotativas inclinadas para trás quando operam como bomba. Quando o motor-gerador muda a operação para turbinando, mudando a sentido de rotação das pás, essa geometria diminui ligeiramente a performance como turbina, o efeito se acentua à medida que a velocidade de rotação aumenta acima do seu ponto de operação[NIELSEN, 2010]. Em usinas hidrelétricas reversíveis de grande porte são utilizadas principalmente as turbinas do tipo Francis. Esse tipo combina fluxo radial e axial, e é apropriado para uma ampla gama de alturas de queda que vão de menos de 50 m até mais de 800 m, com unidades gerando de menos de 10 MW a mais de 500 MW. Já em usinas com queda bruta baixa, como a maremotriz, o tipo Kaplan é o mais usado. 3.1.3 Eficiência Devido à restrições das leis da termodinâmica, nenhum processo de armazenamento e descarga de energia pode ser realizado sem que haja perdas. Nas hidrelétricas reversíveis isso significa que, a energia imposta à água durante o bombeamento não poderá ser recupe- rada integralmente no turbinamento, graças às perdas mecânicas nos condutos forçados e também às perdas elétricas e por atrito na operação dos equipamentos eletromecânicos. A eficiência do ciclo de reservação costuma variar entre 70% e 84%, e as barragens possuem descarga própria significativamente baixa, com o máximo de 2% por dia relatado para as UHRs[IRENA, 2017]. 3.1.4 Evaporação e infiltração A descarga própria ocorre por causa da infiltração e evaporação da água, que é difícil de mensurar, uma vez que depende do clima da região e também do solo. Entretanto é intuitivo concluir que quanto menor a umidade relativa do ar e maior a incidência solar na região, maior serão as perdas por evaporação. Uma característica que deve ser levada em consideração na construção de UHRs em regiões áridas é que as perdas por evaporação aumentam com a área inundada e reduzem com o volume geral do reservatório[ Scherer, 2016 ]. Dessa forma, se faz necessário desenhar reservatórios superiores com barragens mais altas, projetadas para operar com maior variação do nível da água, assim menor será a área inundada e menor a evaporação. Atualmente está sendo realizado pela CHESF um projeto de pesquisa pioneiro no mundo que envolve a instalação de uma usina solar flutuante no reservatório de uma hidre- létrica, neste caso a de Sobradinho, no sertão baiano. A região é caracterizada pelo regime