Desgaste em hidrelétricas: principais mecanismos e soluções

As hidrelétricas no Brasil correspondem hoje a 60% da energia elétrica produzida no país. Para garantir a produção dessa energia e evitar interrupções de fornecimento, o envelhecimento dos equipamentos deve ser considerado, especialmente no que se refere aos mecanismos de desgaste em hidrelétricas. O Banco de Informações da Geração (BIG) da ANEEL contabilizou, em dezembro de 2018, o potencial instalado outorgado de 167.052.141 kW, dos quais 107.768.027 kW, 64%, são de origem hidrelétrica.

A instalação de barragens para a construção de usinas iniciou-se no Brasil a partir do final do século XIX, mas foi após a Segunda Grande Guerra Mundial (1939 − 1945) que a adoção de hidrelétricas passou a ser relevante na produção de energia brasileira. Apesar de o Brasil representar o terceiro maior potencial hidráulico do mundo (atrás apenas de Rússia e China), o país importa parte da energia hidrelétrica que consome. Isso ocorre em razão de que a maior hidrelétrica das Américas e segunda maior do mundo, a Usina de Itaipu, não é totalmente brasileira.

A produção de energia elétrica no Brasil é realizada através de dois grandes sistemas estruturais integrados: o sistema Sul-Sudeste-Centro-Oeste e o sistema Norte-Nordeste, que correspondem, respectivamente, por 70% e 25% da produção de energia hidrelétrica no Brasil. O Brasil tem hoje 147 usinas hidrelétricas integradas ao Sistema Interligado Nacional (SIN) e operadas em conjunto pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS). Todas as usinas hidrelétricas com geração de 3 MW até 30 MW e com área de reservatório de até 13 km² são designadas PCH − Pequena Central Hidrelétrica.

Listamos abaixo as 10 principais usinas
hidrelétricas do Brasil.
Usina Hidrelétrica de Itaipu
Estado: Paraná | Rio: Paraná | Capacidade: 14.000 MW
Usina Hidrelétrica de Belo Monte
Estado: Pará | Rio: Xingú | Capacidade: 11.233 MW
Usina Hidrelétrica São Luíz do Tapajós
Estado: Pará | Rio: Tapajós | Capacidade: 8.381 MW
Usina Hidrelétrica de Tucuruí
Estado: Pará | Rio: Tocantins | Capacidade: 8.370 MW
Usina Hidrelétrica de Santo Antônio
Estado: Rondônia | Rio: Madeira | Capacidade: 3.300 MW
Usina Hidrelétrica de Ilha Solteira

Recuperação da infraestrutura e investimento em eficiência energética

No Brasil, 147 centrais hidrelétricas com 667 turbogeradores e potência instalada de 94,6 GW respondem pela geração de 60,4% da eletricidade destinada a atender a demanda da população. Equipamentos com mais de 20 anos manifestam defeitos frequentes com interrupção de funcionamento, e no caso de equipamentos com mais de 40 anos, a frequência de desligamentos forçados é de tal ordem, que chega a comprometer a continuidade das operações. Esse é um grande problema, visto que 31% das hidrelétricas brasileiras têm mais de 40 anos. Com relação ao envelhecimento dos equipamentos hidrelétricos, estudos apontam que cerca de um terço dos equipamentos das usinas já ultrapassam sua vida útil, o que pode impactar na operação e nos desligamentos programados e forçados (não programados). Os turbogeradores são elementos essenciais nesse processo de envelhecimento. Eles apresentam um pequeno número de partes móveis (turbina, eixo e rotor elétrico, principalmente). Apesar dessas partes móveis não sofrerem desgaste acentuado em condições adequadas de instalação, operação e manutenção, por não terem contato com superfícies sólidas, exceto os mancais de apoio, possibilita às hidrelétricas operar por longos períodos de tempo sem paradas significativas.Entretanto, o desgaste desses elementos é inevitável e ocorre devido aos mecanismos dedesgaste em hidrelétricas − atrito entre a água e as superfícies metálicas, abrasão por sedimentos, cavitação e altas temperaturas no caso do rotor elétrico.

No caso dos turbogeradores, o tempo provoca erosão nos anéis de desgaste, nas buchas do mecanismo de distribuição, na capa e no anel inferior, na vedação do eixo, nas palhetas diretrizes, nos servomotores e nos mancais. O rotor da turbina sofre o efeito de cavitação, que torna a superfície porosa, prejudicando o fluxo. Como consequência, a eficiência da turbina é reduzida, comprometendo a quantidade anual de energia gerada. A manutenção periódica desses elementos é voltada principalmente para:

(i) a conservação dos mancais;

(ii) a reposição de material erodido por cavitação e/ou abrasão na superfície da
turbina;

(iii) e a verificação e substituição dos níveis de isolamento do gerador.

O envelhecimento das usinas e as perdas que isso acarreta para a geração de energia são consideráveis. Para se ter uma ideia, o valor da energia não gerada entre 2007 e 2018 devido a desligamentos programados dos turbogeradores foi de aproximadamente 4 bilhões de dólares. Entre 2007 e 2018 deixaram de ser gerados 208.963 GWh de energia por paradas forçadas, o equivalente a 12,762 bilhões de dólares.

Nesse contexto, a recuperação de turbinas proporciona que energia nova seja oferecida sem os impactos ambientais da construção de uma nova usina em um prazo muito menor, além de permitir que a usina continue operando as outras máquinas do sistema regularmente. Mecanismos de Desgaste em Hidrelétricas – Abrasão, erosão e cavitação Conhecer e identificar os mecanismos de desgastes em hidrelétricas e selecionar materiais apropriados para a prevenção pode aumentar significativamente a resistência superficial aos desgastes e reduzir as perdas relacionadas à eficiência dos equipamentos, paradas prolongadas, além dos danos que podem se tornar irreversíveis e resultar na necessidade de ubstituição das peças, com elevadíssimos custos de manutenção para as empresa geradoras de energia. Veja abaixo os principais mecanismos de desgaste em hidrelétricas encontrados e alguns métodos preventivos.

Desgaste Por Abrasão:

O desgaste por abrasão é amplamente encontrado na indústria e acontece em peças com movimentos rotativos. Esse tipo de desgaste acontece quando há uma remoção de material da superfície devido a partículas duras presentes entre as superfícies que estão em movimento relativo. O desgaste por abrasão pode ser entre dois corpos (quando a própria rugosidade da superfície de um componente remove material de outra superfície) e entre três corpos (quando há um terceiro corpo entre as superfícies que estão em movimento relativo − partículas de areia, por exemplo). Exemplos desse tipo de desgaste são encontrados em mancais, luvas de bombas, sedes de rolamentos, entre outros.

Desgaste por Erosão:

O desgaste por erosão é caracterizado pela remoção de material da superfície a partir doimpacto de partículas sólidas (areia, quartzo, entre outros) presentes na água do rio. Quanto menor for o ângulo de incidência da partícula contra a superfície, mais acentuado vai ser o desgaste quando o material da peça for macio. Normalmente os rotores de turbina, quando operam em rios que possuem partículas sólidas, são fabricados em aço inoxidável da série 400. No entanto, essa alternativa nem sempre é suficiente. A aplicação de revestimento de Carboneto de Tungstênio ou Carboneto de Tungstênio com Cromo apresenta uma resistência bastante superior e pode aumentar a vida útil dos rotores em mais de 400%.

Desgaste por Cavitação:

O desgaste por cavitação é diferente do desgaste por erosão. Ele não é ocasionado pelo impacto de partículas sólidas, mas pelo colapso de bolhas com gás ou vapor, dentro de um
líquido. Ela ocorre devido a redução localizada da pressão hidrostática gerada pela movimentação de um líquido. A cavitação é considerada um desgaste por fadiga por que o material está fica submetido a forças repetitivas e frequentes produzidas pelos colapsos. Para esse mecanismo de desgaste, os materiais devem ser mais resistentes ao impacto, como é o caso dos revestimentos de Níquel Cromo, por exemplo.