Introdução
Usinas de armazenamento por bombeamento são um tipo de usina hidrelétrica; elas são classificadas como uma forma de geração de energia renovável (verde).
As usinas de armazenamento por bombeamento convertem energia potencial em energia elétrica, ou, energia elétrica em energia potencial. Elas realizam isso permitindo que a água flua de uma elevação alta para uma elevação mais baixa, ou, bombeando água de uma elevação baixa para uma elevação mais alta. Quando a água flui para uma elevação mais baixa, a usina gera eletricidade. Quando a água é bombeada para uma elevação mais alta, a usina cria um armazenamento de energia potencial. As usinas de armazenamento por bombeamento usam turbinas Francis porque elas podem atuar tanto como bomba hidráulica quanto como turbina hidráulica.
As usinas de armazenamento por bombeamento são usadas para equilibrar a frequência, a tensão e as demandas de energia dentro da rede elétrica; elas são frequentemente utilizadas para adicionar capacidade adicional de megawatts à rede durante períodos de alta demanda de energia. Por essa razão, as usinas de armazenamento por bombeamento são chamadas de usinas de ‘pico’.
Gráfico de Demanda de Energia da Rede Elétrica
Porque as usinas de armazenamento por bombeamento podem fornecer energia ‘sob demanda’ aos operadores da rede elétrica, elas têm um alto nível de despachabilidade (a capacidade de fornecer energia à rede rapidamente quando necessário).
Projeto da Usina
Independentemente da localização geográfica, todas as usinas de armazenamento por bombeamento requerem um reservatório superior e um reservatório inferior. A diferença de elevação entre os reservatórios superior e inferior é chamada de ‘carga’ (carga de pressão) e deve ser significativa para que a usina opere eficientemente.
Um conduto forçado conecta o reservatório superior a uma turbina Francis localizada na casa de força. Um tubo de sucção e um canal de fuga conectam a turbina Francis ao reservatório inferior.
Layout da Usina de Armazenamento por Bombeamento
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Como Funcionam as Usinas de Armazenamento por Bombeamento
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Como as Usinas de Armazenamento por Bombeamento Geram Energia (Eletricidade)
A água flui do reservatório superior, através do conduto forçado, até a turbina Francis. À medida que a água passa pelas pás do rotor Francis, é criada uma diferença de pressão que causa torque (força rotativa) no rotor. O rotor começa a girar.
O rotor da turbina está conectado a um gerador elétrico em um eixo comum. À medida que o rotor gira, o rotor do gerador também gira. À medida que o rotor gira através do campo eletromagnético dentro do gerador, ele induz corrente nas bobinas do estator e a corrente elétrica começa a fluir. A corrente elétrica é geralmente então enviada aos consumidores finais através de um pátio de manobra e de um transformador elétrico.
Rede Elétrica
A água descarregada do rotor da turbina entra em um tubo de sucção onde parte da energia cinética é recuperada e convertida em energia potencial; a água então entra no canal de fuga e é descarregada no reservatório inferior.
Neste exemplo, a energia potencial da água foi convertida pelo rotor da turbina em energia mecânica. A energia mecânica foi transferida em um eixo comum para um gerador, que converteu a energia mecânica em energia elétrica. Todo o processo pode ser contínuo até que o reservatório superior esteja vazio.
Como as Usinas de Armazenamento por Bombeamento Armazenam Energia Potencial
A água é bombeada do reservatório inferior para o reservatório superior pelo rotor da turbina Francis. O caminho do fluxo é o mesmo que ao gerar eletricidade, exceto que a direção do fluxo é invertida porque o rotor Francis é usado como bomba em vez de turbina.
Economia das Usinas de Armazenamento por Bombeamento
As usinas de armazenamento por bombeamento dependem do preço variável da eletricidade para obter lucro. Muitas usinas termelétricas (a carvão, a gás etc.) não podem aumentar ou reduzir rapidamente sua produção de MW porque isso colocaria grandes tensões térmicas nos componentes da usina (caldeira de tubos de água, tubulações etc.). Por essa razão, as usinas termelétricas produzem quase tanta energia à noite quanto durante o dia.
Durante o dia, a energia é demandada e os preços da eletricidade são altos. À noite, a energia não é demandada e os preços da eletricidade são baixos. As usinas de armazenamento por bombeamento compram energia à noite para bombear água para o reservatório superior, e então geram energia e a vendem de volta à rede durante o dia, quando a demanda - e o preço - é maior.
Exemplo 1
A energia é comprada da rede a 1ct/kWh para bombear água do reservatório inferior para o superior.
A energia é vendida para a rede a 2ct/kWh permitindo que a água flua do reservatório superior para o inferior.
A usina de armazenamento por bombeamento gerou 1ct/kWh de lucro durante este processo porque:
2ct/kWh (venda) - 1ct/kWh (compra) = 1ctkWh (lucro).
As usinas de armazenamento por bombeamento operam dessa maneira há muitos anos, mas o recente aumento nas fontes de energia renovável está mudando a dinâmica da indústria de energia.
Exemplo 2
É um dia ensolarado e ventoso, muitas usinas solares e eólicas estão online e gerando energia. Devido a esse aumento na disponibilidade de energia, há um excedente na rede e o preço da energia elétrica reduz proporcionalmente.
O preço da energia durante o dia reduz tanto que as usinas de armazenamento por bombeamento podem entrar em operação e comprar energia para bombear água para o reservatório superior.
Neste cenário, as usinas de armazenamento por bombeamento são usadas tanto de dia quanto de noite para compensar o excedente de energia na rede e fornecer energia durante os períodos de pico de demanda. Este cenário é relativamente novo e levou as usinas de armazenamento por bombeamento a se tornarem uma parte mais integrada da rede elétrica.
Componentes do Modelo 3D
Este modelo 3D mostra todos os principais componentes associados a uma típica estação de energia de armazenamento por bombeamento, incluindo:
- Reservatório Superior e Inferior
- Conduto Forçado
- Grade de Lixo
- Válvulas de Isolamento
- Equipamentos de Comutação
- Rotor da Turbina (Francis)
- Carcaça Espiral/Voluta
- Tubo de Sucção
- Gerador
- Transformador Elétrico
- Pátio de Manobra ao Ar Livre
Recursos Adicionais
http://www.wvic.com/content/how_hydropower_works.cfm
https://science.howstuffworks.com/environmental/energy/hydropower-plant.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine