Como ampliar a eficiência energética com a modernização de hidrelétricas

A estratégia de modernização de hidrelétricas é um tema central para a evolução da matriz elétrica brasileira, historicamente sustentada pelo aproveitamento dos recursos hídricos.

Uma parcela significativa das usinas em operação foi implantada entre as décadas de 1960 e 1990 e, embora muitas ainda apresentem desempenho satisfatório e níveis relevantes de produção, o envelhecimento dos ativos passa a impor restrições técnicas, operacionais e econômicas que limitam o aproveitamento pleno do potencial energético disponível, além de limitar a capacidade de resposta às novas exigências do sistema elétrico.

Na elaboração de políticas energéticas, a modernização de hidrelétricas deve ser avaliada como uma decisão estruturante de longo prazo, capaz de ampliar a eficiência energética, reforçar a segurança operacional e estender o ciclo de vida dos empreendimentos existentes, ao mesmo tempo em que agrega flexibilidade ao parque gerador e reduz riscos técnicos, regulatórios e ambientais associados à expansão com novos projetos.

E, além do estágio avançado da vida útil de boa parte do parque instalado, o setor elétrico enfrenta novos desafios: a crescente participação de fontes intermitentes, como solar e eólica, exige usinas capazes de responder rapidamente às variações de carga e de operar com maior flexibilidade.

A modernização de hidrelétricas permite justamente essa adaptação, transformando usinas tradicionais em ativos mais eficientes, digitais, de baixa emissão e alinhados às necessidades atuais do sistema.

O envelhecimento do parque hidrelétrico brasileiro e seus impactos

Estudos setoriais apontam que mais de 60% da capacidade hidrelétrica instalada no Brasil corresponde a usinas com mais de 30 anos de operação, refletindo o avançado grau de maturidade do parque gerador nacional.

Essa característica não é exclusiva do país: relatórios e análises da International Hydropower Association (IHA) indicam que grande parte da capacidade hidrelétrica em operação na América do Sul também ultrapassa três décadas de funcionamento, sendo o Brasil o principal representante desse conjunto, o que faz com que a modernização de hidrelétricas existentes seja apontada como uma oportunidade técnica e estratégica relevante.

Avaliações recentes indicam que, no Brasil, existe potencial de ampliação da capacidade instalada em ao menos 51 empreendimentos com mais de 30 anos de operação, com impactos positivos diretos na geração de energia.

Esse potencial já havia sido identificado anteriormente em estudos conduzidos pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), que destacam a modernização como um caminho eficaz para recuperar desempenho, elevar a eficiência energética e estender a vida útil dos ativos hidrelétricos.

Nas usinas mais antigas, em muitos casos, os equipamentos eletromecânicos já ultrapassaram sua vida útil de projeto, apresentando perdas de rendimento, aumento de falhas, custos crescentes de manutenção e maior indisponibilidade.

Turbinas com perfis hidráulicos antigos, geradores com menor eficiência eletromagnética, sistemas de controle analógicos e estruturas civis que não foram concebidas para os padrões atuais de operação são fatores que limitam o aproveitamento pleno do potencial energético disponível. Como resultado, parte da energia que poderia ser gerada se perde ao longo do processo.

A equipe de especialistas da EPE indica que o parque gerador envelhecido leva à seguinte situação:

• Menor eficiência produtiva
• Desperdício dos recursos hídricos
• Aumento dos tempos de indisponibilidade de geração da usina
• Incapacidade de atendimento à potência original
• Aumento de custos operacionais do Sistema Interligado Nacional (SIN)

A modernização de hidrelétricas, quando bem planejada, permite recuperar e até superar o desempenho original da usina, elevando a produção anual de energia sem a necessidade de novos barramentos ou grandes intervenções ambientais, um diferencial relevante em um contexto de maior rigor regulatório e socioambiental.

Modernização de hidrelétricas: muito além da troca de equipamentos

Um equívoco comum é associar a modernização de hidrelétricas apenas à substituição de turbinas ou geradores. Na prática, esse é um processo complexo e integrado, que envolve diferentes disciplinas de engenharia e uma visão sistêmica do empreendimento.

A modernização começa muito antes da fase de obras e se estende até o comissionamento e a validação do desempenho final da usina. Cada etapa é fundamental para garantir que os ganhos esperados de eficiência, confiabilidade e flexibilidade sejam efetivamente alcançados.

Os grandes desafios para a modernização de hidrelétricas, segundo a EPE, são:

• Levantamento de potencial individualizado por usina
• Grande variação nas características dos projetos
• Capacitação técnica de agentes envolvidos

Contar com equipes multidisciplinares, com expertise comprovada em diversas áreas, é a melhor estratégia para lidar com esses desafios.

Agora, confira algumas etapas desse modelo de projeto.

Avaliações técnicas detalhadas e estudos de viabilidade

O primeiro passo em um projeto de modernização de hidrelétricas é a realização de avaliações técnicas aprofundadas. Essas análises envolvem inspeções em campo, levantamentos documentais e medições operacionais que permitem compreender o estado real dos ativos.

São avaliados aspectos como:

• Integridade hidráulica e estrutural dos sistemas de adução, vertedouros e condutos forçados
• Condição e segurança das barragens, casas de força e fundações
• Eficiência e desempenho operacional das turbinas e geradores
• Confiabilidade dos sistemas elétricos, auxiliares e de automação
• Indicadores históricos de falhas, indisponibilidade e custos de O&M

Com base nesse diagnóstico, são elaborados estudos de viabilidade técnica e econômica que comparam diferentes alternativas de modernização. Esses estudos consideram não apenas o investimento inicial, mas também os ganhos de eficiência, o aumento de disponibilidade, a redução de custos operacionais e a extensão da vida útil do ativo.

Em paralelo às atividades de avaliação dos ativos existentes, são realizados vários estudos energéticos para avaliação de aproveitamento do potencial hidráulico da usina em conformidade com as novas diretrizes dos órgãos regulamentadores do setor elétrico. Em alguns casos é identificada nos estudos a possibilidade de um melhor aproveitamento hidráulico da turbina com pequenas alterações nas instalações existentes e a substituição dos rotores por modelos mais modernos. Estas alterações possibilitam o aumento na geração de carga da unidade geradora, o que chamamos de repotenciação de unidades.

A análise de viabilidade da repotenciação das unidades geradoras é uma atividade importante na fase inicial do projeto, se considerarmos que pode ser implementada no mesmo período da modernização.

Outro importante estudo energético e a possibilidade de fornecimento de serviços ancilares por parte da usina. Os serviços ancilares são serviços que melhoram a estabilidade e operacionalidade do SIN, principalmente na macro região em que ela se encontra.

De todos os possíveis serviços ancilares, a possibilidade de operação da unidade geradora com os compensadores síncronos é o que gera maior valor econômico e estratégico para a usina. São várias as vantagens técnicas de se operar como compensadores síncronos, que vão desde o aumento da receita até a preservação dos componentes principais da turbina, bem como a concessão de excludente de geração durante o período de implantação das melhorias necessárias.

Engenharia multidisciplinar aplicada à modernização

Uma vez definida a estratégia de modernização, inicia-se o desenvolvimento dos projetos de engenharia. Essa fase é marcadamente multidisciplinar e envolve especialistas em hidráulica, estruturas, eletromecânica, elétrica, automação, sistemas digitais e meio ambiente.

Do ponto de vista hidráulico, a modernização pode incluir a redefinição de perfis de turbinas, melhoria de canais de fuga e otimização do escoamento, reduzindo perdas de carga e aumentando o rendimento global da usina.

Na engenharia estrutural e civil, são avaliadas intervenções para reforço, adequação ou recuperação de estruturas existentes, garantindo segurança e compatibilidade com os novos equipamentos.

Na esfera eletromecânica, a substituição, atualização ou modernização de unidades geradoras, transformadores, equipamentos hidromecânicos e sistemas auxiliares mecânicos e elétricos proporciona ganhos significativos de eficiência e confiabilidade.

Soma-se a isso a implementação de sistemas de proteção e controle modernos, que conferem maior precisão, segurança e flexibilidade operacional. Durante o processo de modernização, deve-se evitar a indisponibilidade de sistemas críticos da usina. Por isso, é indispensável a elaboração de um plano de migração robusto e bem estruturado.

Manter uma equipe multidisciplinar de engenharia do proprietário constante e em todas as fases do projeto otimiza e simplifica a matriz de comunicação e reduz os riscos de atraso do projeto maximizando as decisões importantes ao longo de todo o projeto, além de potencializar os ganhos com lições aprendidas.

Digitalização como aliada da eficiência energética

A digitalização é um dos grandes diferenciais dos projetos contemporâneos de modernização de hidrelétricas. Ferramentas digitais permitem simulações avançadas, análises preditivas e uma integração muito mais eficiente entre as diversas disciplinas de engenharia.

O uso de modelagem BIM (Building Information Modeling) 3D vem ganhando força nesse tipo de empreendimento. A integração desses recursos em ambientes de retrofit e fluxos de trabalho digitais garante a consistência entre o projeto e a execução no local, possibilitando a visualização tridimensional da usina

Com isso, temos a identificação antecipada de interferências, e o planejamento detalhado das obras e uma gestão mais eficiente do ciclo de vida do ativo, principalmente quando se fala de usinas antigas em que a documentação técnica original é muitas vezes escassa ou inexistente.

Aquisição, acompanhamento da fabricação e supervisão de construção e gestão da qualidade

A fase de aquisição de equipamentos e contratação de fornecedores é crítica para o sucesso da modernização de hidrelétricas. Especificações técnicas bem definidas, alinhadas aos objetivos do projeto, são fundamentais para garantir que os equipamentos adquiridos entreguem o desempenho esperado. O acompanhamento da fabricação/reforma dos principais componentes em fábrica garante o atendimento aos requisitos técnicos em conformidade com o projeto aprovado e possibilita uma interação de engenharia direta e rápida durante o processo de fabricação, minimizando impactos no cronograma de fornecimento.

Durante a execução das obras, a supervisão de engenharia de construção exerce um papel central. Acompanhamento técnico rigoroso assegura que os serviços sejam executados conforme os projetos, normas e requisitos de qualidade estabelecidos. Isso inclui o controle de cronograma, custos, segurança e impactos operacionais, especialmente em usinas que permanecem parcialmente em operação durante a modernização.

A gestão integrada dessas etapas reduz riscos, evita retrabalhos e contribui para que os objetivos do projeto sejam efetivamente alcançados.

Comissionamento e validação de desempenho

O comissionamento é a etapa que consolida todo o esforço de modernização. Nessa fase, sistemas e equipamentos são testados de forma integrada, em diferentes condições de operação, para verificar se os parâmetros de desempenho, segurança e confiabilidade estão sendo atendidos.

Ensaios de rendimento, testes de carga, validação de sistemas de proteção e automação e análises de comportamento dinâmico são fundamentais para certificar que a usina modernizada está apta a operar de acordo com as exigências atuais do sistema elétrico.

Um comissionamento bem conduzido assegura que os ganhos de eficiência energética não fiquem apenas no papel, mas se traduzam em resultados mensuráveis ao longo da operação.

Ganhos reais: aumento de capacidade e extensão da vida útil

A experiência acumulada em projetos de modernização de hidrelétricas no Brasil e no exterior demonstra que intervenções estruturadas em usinas com maior tempo de atividade podem gerar ganhos consistentes de desempenho energético e operacional.

No sistema brasileiro, a Nota Técnica de Repotenciação e Modernização de Usinas Hidrelétricas, publicada pela EPE, evidencia que a atualização de ativos antigos resulta em incrementos relevantes de eficiência, energia gerada e, em determinados casos, de capacidade instalada, com variações diretamente relacionadas às condições iniciais da usina e ao escopo técnico adotado.

Casos práticos de modernização, tanto em empreendimentos nacionais quanto internacionais, indicam que a incorporação de tecnologias mais eficientes, como novas turbinas e geradores, sistemas avançados de controle, automação e otimização hidráulica, permite recuperar perdas históricas e elevar o aproveitamento do potencial energético disponível.

Em projetos bem dimensionados, esses ganhos podem representar aumentos de eficiência de vários pontos percentuais na produção efetiva de energia, conforme apontam estudos técnicos e análises internacionais conduzidas por entidades do setor hidrelétrico.

Além do impacto direto sobre a geração, a modernização frequentemente viabiliza incrementos de potência instalada, seja pela substituição de equipamentos obsoletos por soluções tecnológicas mais avançadas, seja pela reengenharia hidráulica do sistema. Essa abordagem contribui para uma operação mais flexível e alinhada às demandas atuais do sistema elétrico, especialmente em cenários de maior participação de fontes intermitentes.

Outro benefício estruturante amplamente reconhecido é a extensão da vida útil dos ativos. Relatórios técnicos e análises de mercado que tratam de iniciativas de renovation, modernisation e life extension (R&M + LE) indicam que usinas hidrelétricas modernizadas podem ter sua vida operacional prolongada em aproximadamente 20 a 30 anos, mantendo elevados níveis de confiabilidade e disponibilidade.

Esse ciclo de vida adicional é resultado não apenas da substituição ou recuperação de componentes críticos, mas também da integração de ferramentas digitais, metodologias modernas de engenharia e práticas avançadas de gestão de ativos.

Em conjunto, esses ganhos tornam a modernização de hidrelétricas uma alternativa altamente competitiva frente à implantação de novos empreendimentos, ao combinar aumento de desempenho, redução de riscos operacionais e menor impacto ambiental, além de prazos e custos mais previsíveis em comparação a projetos greenfield.

Case São Simão: reabilitação com foco em desempenho e confiabilidade

A modernização da Usina Hidrelétrica de São Simão, projeto que contou com a parceria da Tractebel, é um exemplo representativo de como projetos bem estruturados podem revitalizar grandes ativos de geração de energia. O empreendimento envolveu a reabilitação de unidades geradoras com foco na melhoria de eficiência, confiabilidade operacional e adequação aos padrões atuais do sistema elétrico.

A nossa atuação neste empreendimento abrange todas as fases da implementação do projeto e incluiu desde estudos energéticos e projeto básico de engenharia até o acompanhamento técnico de campo, garantindo a integração entre as diversas disciplinas envolvidas.

O projeto de modernização da UHE São Simão está na terceira unidade geradora e o resultado até o momento comprova a recuperação do desempenho das unidades e a ampliação da vida útil do ativo. As atividades transcorrem até o momento dentro do prazo do cronograma, reforçando o papel estratégico de uma equipe de engenharia engajada e comprometida com os objetivos do cliente.

Case Jupiá: engenharia integrada e supervisão de campo

Outro exemplo relevante é o projeto de modernização da Usina Hidrelétrica de Jupiá. Nesse caso, os serviços contemplaram o projeto detalhado de infraestrutura civil e eletromecânica, a integração BIM e a supervisão de campo durante a execução.

A abordagem integrada permitiu uma gestão mais eficiente das interfaces entre disciplinas, a redução de riscos durante a obra e maior previsibilidade de prazos e custos. A aplicação de ferramentas digitais contribuiu para decisões mais assertivas e para a entrega de um ativo modernizado, com melhor desempenho energético e operacional.

Modernização de hidrelétricas e a integração com fontes intermitentes

Com o avanço da geração solar e eólica, o sistema elétrico demanda usinas capazes de responder rapidamente às variações de oferta e demanda. A modernização de hidrelétricas desempenha um papel estratégico nesse novo momento da geração de energia, ao viabilizar operações mais flexíveis, com partidas e paradas mais rápidas e maior capacidade de regulação de frequência.

Sistemas de controle modernos e equipamentos reprojetados com base em critérios hidráulicos, eletromecânicos e operacionais atuais permitem que as hidrelétricas atuem como verdadeiros estabilizadores do sistema, compensando a variabilidade das fontes intermitentes e contribuindo para a segurança do suprimento.

Um caminho para um sistema elétrico mais resiliente e sustentável

A modernização de hidrelétricas, apoiada por metodologias robustas, engenharia multidisciplinar e ferramentas digitais avançadas, representa um caminho sólido para revitalizar ativos existentes. Mais do que recuperar equipamentos, é o momento de reimaginar o papel das usinas hidrelétricas em um sistema elétrico em transformação.

Ao elevar a eficiência energética, aumentar a confiabilidade e ampliar a flexibilidade operacional, esses projetos contribuem diretamente para a sustentabilidade do setor elétrico, maximizando o uso de recursos renováveis já disponíveis e reduzindo a necessidade de novas intervenções ambientais.

Com a nossa expertise global e atuação consolidada em projetos complexos, a modernização de hidrelétricas é uma oportunidade de agregar valor técnico, econômico e estratégico aos ativos, preparando-os para os desafios presentes e futuros da matriz elétrica.