Para produzir energia limpa e melhorar o desempenho das usinas hidrelétricas*

Danielle Kiffer

Equipe junto ao equipamento usado para fazer testes de  coloração da água (Foto: Divulgação/Uerj)

O Brasil possui o terceiro maior potencial hidrelétrico do mundo, atrás apenas da Rússia e China, e cerca de 80% da energia elétrica produzida no País é gerada por turbinas hidráulicas. A rápida expansão da economia e o crescimento da população ao longo das duas últimas décadas, contudo, não foi acompanhado pelos investimentos necessários no campo energético e há localidades ainda sem acesso à energia elétrica. A implantação de novas usinas deve levar em conta a necessidade crescente de se avaliar e adequar o projeto às demandas ambientais, de modo a tirar proveito dos aspectos positivos do empreendimento e de reduzir os possíveis impactos negativos sobre o ecossistema nas regiões escolhidas para sua instalação.

A fim de contribuir para um melhor aproveitamento do meio ambiente e da energia, preservar máquinas e equipamentos que fazem as usinas funcionarem e, quando possível, aperfeiçoá-los, em 2005 foi criado o Grupo de Estudos e Simulações Ambientais em Reservatórios (Gesar) (www.gesar.uerj.br), uma Unidade de Desenvolvimento Tecnológico (UDT) da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (Uerj).

Ao longo de 17 anos de existência, o grupo já realizou mais de 30 projetos, em associação com outras instituições, como Furnas Centrais Elétricas S.A.; o Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq); a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes); a Financiadora de Estudos e Projetos (Finep). Com o apoio da FAPERJ, houve um montante de 20 projetos. Verdadeira “fábrica de idéias”, o Gesar vem se dedicando a projetos que devem contribuir, igualmente, para o melhor funcionamento das estruturas de exploração do pré-sal e da produção de energia limpa, como o biogás. Na área acadêmica, o grupo esteve à frente da implantação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica (PPG-EM/Uerj), que já formou mais de 20 mestres e cinco doutores.

Um dos projetos desenvolvidos no Gesar, apoiado pelo edital Apoio às Universidades Estaduais do Rio de Janeiro, da FAPERJ, visa promover estudos e testes de laboratório, de caráter multidisciplinar, que proporcionem melhoras contínuas ao desenvolvimento de energias limpas e ao desempenho das usinas hidrelétricas. Um dos objetivos da iniciativa, desenvolvida no Laboratório de Estudos Numéricos (LEN) do Gesar, é buscar uma solução para o problema da cavitação, em que o fenômeno de formação de bolhas, consequência das bruscas variações de pressão na água, provoca o desgaste físico de componentes das hidrelétricas, como nos rotores de bombas e pás de turbinas. Coordenado pelo engenheiro Norberto Mangiavacchi, professor e pesquisador do Departamento de Engenharia Mecânica da Uerj, o projeto já resultou, por exemplo, na criação de um software com capacidade computacional para realizar simulações tridimensionais da dinâmica de corpos hídricos.

Norberto Mangiavacchi (segundo à esquerda) ao lado de Renato Rocha (esq.), José Pontes e Gustavo dos Anjos (Foto: Divulgação)

O software é capaz de reproduzir como as bolhas se formam nos mínimos detalhes. “Com este programa, conseguimos obter simulações, o mais próximo possível, da realidade. Ele é capaz de reproduzir a forma da bolha, avaliar as forças de tensão superficial, força gravitacional, pressão, velocidade e, também, de medir a transferência de calor, tudo isso dependendo das condições da água nas usinas”, diz o engenheiro Gustavo Rabello dos Anjos, principal responsável pelo desenvolvimento dessa ferramenta virtual. “Esse programa representa uma grande evolução na área de simulações numéricas para usinas hidrelétricas. Prova disso é que instituições, como o Instituto de Tecnologia de Massachusetts [MIT], se interessou muito pelo software”, afirma o também engenheiro José da Rocha Miranda Pontes, professor adjunto do Departamento de Engenharia Mecânica e colaborador do PPG-EM/Uerj. De acordo com Anjos, esse trabalho já rendeu artigos em importantes revistas internacionais, como Journal of Computational Physics e Heat Transfer Engineering. O LEN é o maior entre os laboratórios do Gesar, com uma rede de computadores que exercem as funções de desenvolvimento, arquivo e controle do acervo computacional, abastecido com um cluster de servidores, com um total de 80 núcleos de processamento e aproximadamente 400 Gb de memória RAM (na sigla, em inglês, para Random Access Memory).

Já no Laboratório de Ensaios Dinâmicos (LED), são feitos os experimentos em fluxo, com a utilização de duas espécies de aquários, onde canais de fluxo de água, os chamados “flumes”, simulam a operação de uma hidrelétrica. Neles, são realizados experimentos com modelos em escala, e pré-protótipos de turbinas bulbo (pequenas turbinas) para microcentrais hidrelétricas. Os ensaios são realizados com monitoramento e registro das temperaturas e pressões. “Queremos aproveitar o potencial hídrico de regiões que ainda não dispõem de energia elétrica, com o aperfeiçoamento de projetos voltados para o desenvolvimento de microcentrais hidrelétricas”, diz Mangiavacchi, destacando que essas centrais de pequenas dimensões podem proporcionar energia elétrica a locais mais distantes e isolados.

O laboratório de ensaios microbiológicos (LEB) dá suporte na parte biológica dos experimentos. Sendo um laboratório moderno e bem equipado, realiza análises ambientais e estudos em cromatografia gasosa e líquida. O grupo trabalha também no estudo da otimização de biogás metano através da decomposição de lodo de esgoto em biorreatores anaeróbios. Segundo afirma a bióloga e pesquisadora integrante do grupo de estudos, Mariana Erthal Rocha, que desenvolve seu projeto de doutorado em bioenergia através da caracterização da diversidade molecular microbiana: “Os estudos de aproveitamento do metano para fins energéticos representam economia de recursos ambientais, redução dos poluentes descartados nos recursos hídricos e a eliminação do metano lançado na biosfera. A energia resultante da metanogênese, degradação da matéria orgânica através de um consórcio de micro-organismos presentes nos reatores pode ser incrementada através de diferentes parâmetros físico-químicos associados ao processo.” A equipe de pesquisadores conta ainda com o Laboratório de Ensaios Cinéticos (LEC), onde são realizadas as análises químicas. É no LEC que é feita a caracterização físico-química da água utilizada nos experimentos. O Laboratório de Ensaios Oceanográficos (LEO), também responsável pela análise de material biológico marinho apresenta infraestrutura com microscópios de última geração, realizando principalmente estudos relacionados a comunidade planctônica da costa brasileira.

O Gesar também conta com o Laboratório de Ensaios sob Pressão (LEP), no qual são realizados experimentos em ambientes com pressão e temperatura controlados, simulando regiões profundas e sem luz dos reservatórios. Esses estudos permitem avaliar os efeitos da composição da água no processo de cavitação. “Podemos monitorar o efeito da qualidade da água resultante da decomposição da biomassa do reservatório, o que permite controlar a quantidade de metano que é lançada na atmosfera pelas bolhas de ar que se formam com o material orgânico que chega às hidrelétricas, como, por exemplo, biomassa em decomposição”, acrescenta Mangiavacchi.

*Reportagem originalmente publicada em Rio Pesquisa, Ano VII, Nº 29 (Dezembro de 2014)