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Estimativa da Pegada Hídrica de Aproveitamentos Hidrelétricos no Sul do Brasil
Acadêmico: Felipe Fischmann | Orientador: Pedro Chaffe Trabalho de Conclusão de Curso | Dep. de Engenharia Sanitária e Ambiental | CTC
16/8/16 2
Volume total de água usada para produzir os bens e serviços consumidos por um individuo ou comunidade
(HOEKSTRA, 2011)
Conceito A Pegada Hídrica
16/8/16 3
Pegada hídrica azul Pegada hídrica verde – Águas pluviais
Pegada hídrica cinza – Poluição
Águas superficiais
Águas subterrâneas
Classificação A Pegada Hídrica
16/8/16 4
Valores médios por fonte de energia segundo o IPCC A Pegada Hídrica
Fonte:IPCC(2012)
16/8/16 5
Valores médios por fonte de energia segundo o IPCC A Pegada Hídrica
Fonte:IPCC(2012)
Carvão
Nuclear
Fonte:IPCC(2012)
Hidroelétrica
16/8/16 6
Valores médios por fonte de energia segundo o IPCC A Pegada Hídrica
16/8/16 7
PH= AET/EG
PH= AET− P↓V /EG
1)
2)
3)
• AET=evaporaçãoapósbarramento• EG=energiagerada• AETpré,V=evapotranspiraçãopréviaaobarramento• PV=precipitaçãosobreoreservatório
Métodos para determinação
A Pegada Hídrica da geração de energia hidrelétrica
PH= AET− AET↓pré,V /EG
Objetivos
Objetivo Geral
16/8/16 9
Estimar a pegada hídrica associada à geração de energia hidrelétrica por empreendimentos selecionados na região Sul do Brasil
Objetivos Específicos
16/8/16 10
a) Verificar a sensibilidade, a variáveis selecionadas, de um modelo para estimativas de evaporação baseado na relação complementar
b) Estimar as perdas por evaporação em reservatórios de
aproveitamentos hidrelétricos do Sul do Brasil c) Determinar fatores com influência preponderante na pegada
hídrica de aproveitamentos hidrelétricos
Objetivo Específico A
16/8/16 11
Objetivos Específicos
16/8/16 12
a) Verificar a sensibilidade, a variáveis selecionadas, de um modelo para estimativas de evaporação baseado na relação complementar
b) Estimar as perdas por evaporação em reservatórios de
aproveitamentos hidrelétricos do Sul do Brasil c) Determinar fatores com influência preponderante na pegada
hídrica de aproveitamentos hidrelétricos
Objetivo Específico B
16/8/16 13
WREVAP
Objetivos Específicos
16/8/16 14
a) Verificar a sensibilidade, a variáveis selecionadas, de um modelo para estimativas de evaporação baseado na relação complementar
b) Estimar as perdas por evaporação em reservatórios de
aproveitamentos hidrelétricos do Sul do Brasil c) Determinar fatores com influência preponderante na pegada
hídrica de aproveitamentos hidrelétricos
Objetivo Específico C
16/8/16 15
Materiais e Métodos
16/8/16 17
• 41 aproveitamentos • Dados de entrada
• Latitude • Elevação • Precipitação média anual • Profundidade média • Salinidade • Temperatura média do ar • Umidade relativa do ar • Insolação
Reservatórios
Série
shistóricas
Área de estudo Materiais e Métodos
16/8/16 18
Unidade geradora +
Reservatório(s) imediatamente a montante
Fonte:Geraldi(20--)
Sistema considerado Materiais e Métodos
16/8/16 19
• WREVAP – módulo CRLE (Complementary Relationship Lake Evaporation)
• Disponível (http://people.eng.unimelb.edu.au/mpeel/morton.html)
• código FORTRAN • arquivo executável
• Premissa básica: ½EP ≤ EW ≤ EP
Modelo adotado Materiais e Métodos
16/8/16 20
Alocação de séries históricas de estações meteorológicas
Materiais e Métodos
PCHeUHEassociadasàsestaçõesmaispróximas
Resultados e Discussão
16/8/16 22
y=0,4259xR²=0,96674
-60% -40% -20% 0% 20% 40% 60%
-20%
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
-20%
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
-60% -40% -20% 0% 20% 40% 60%
Varia
çãona
AETm
édia
Variaçãotemperaturamédia
4,3%10%
Sensibilidade do WREVAP a variações na temperatura Resultados e Discussão
16/8/16 23
Sensibilidade do WREVAP a variações na temperatura Resultados e Discussão
y=0,4259xR²=0,96674
-60% -40% -20% 0% 20% 40% 60%
-20%
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
-20%
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
-60% -40% -20% 0% 20% 40% 60%
Varia
çãona
AETm
édia
Variaçãotemperaturamédia
4,3%10%
0
50
100
150
200
0
50
100
150
200
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12AE
Tméd
ia(m
m)
Mês-50% -10%Sérieoriginal 10%50%
16/8/16 24
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
AETméd
iam
ensal(mm)
Mês
0m 26.8m(profundidadereal) 50m 100m
Sensibilidade do WREVAP a variações na profundidade Resultados e Discussão
16/8/16 25
y=0,5372xR²=0,9991
-60% -40% -20% 0% 20% 40% 60%
-30%
-20%
-10%
0%
10%
20%
30%
40%
-30%
-20%
-10%
0%
10%
20%
30%
40%
-60% -40% -20% 0% 20% 40% 60%
Varia
çãona
AETm
édia
Variaçãonainsolaçãomédia
5,3%10%
Sensibilidade do WREVAP a variações na insolação Resultados e Discussão
• Altitude • Salinidade • Precipitação média anual • Umidade relativa média do ar
16/8/16 26
Resultados e Discussão Parâmetros com sensibilidade desprezível do WREVAP
16/8/16 27
Resultados e Discussão Distribuição espacial da evaporação de lago estimada pelo WREVAP
16/8/16 28
• Média simples: 22,35 m3GJ-1
• Mínima: 0,06 m3GJ-1
• Máxima: 153,54 m3GJ-1
• Média ponderada pela geração de energia: 14,89 m3GJ-1
Resultados e Discussão Distribuição dos valores de pegadas hídricas
16/8/16 29
• Média simples: 22,35 m3GJ-1
• Mínima: 0,06 m3GJ-1
• Máxima: 153,54 m3GJ-1
• Média ponderada pela geração de energia: 14,89 m3GJ-1 ≅
102,3 L.hab-1dia-1 Consumo médio equivalente por habitante:
Resultados e Discussão Distribuição dos valores de pegadas hídricas
16/8/16 30
1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03
1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03
SaltoPilãoCamposNovosQuebraQueixo
MachadinhoFozdoChapecó
ItáPalmeiras
BarraGrandeGaribaldiFundão
GovParigotdeSouzaSaltoOsórioGovBragaOurinhos
ItaipuGovRochaNeto
GovRichaSaltoGrandeSaltoSanfago
SantaClaraChaminé
MauáTaquaruçuGuaricanaCanoasIICanoasIRosana
CapivaraChavantesCanastra
MonteClaroJacuí
CastroAlvesItaúba
14deJulhoDonaFranciscaPassoSãoJoão
SãoJoséBugres
PassoFundoPassoReal
SantaCatarin
aParaná
RioGrande
doSul
PegadaHídrica(m3GJ-1)
16/8/16 31
1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03
1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03
SaltoPilãoCamposNovosQuebraQueixo
MachadinhoFozdoChapecó
ItáPalmeiras
BarraGrandeGaribaldiFundão
GovParigotdeSouzaSaltoOsórioGovBragaOurinhos
ItaipuGovRochaNeto
GovRichaSaltoGrandeSaltoSanfago
SantaClaraChaminé
MauáTaquaruçuGuaricanaCanoasIICanoasIRosana
CapivaraChavantesCanastra
MonteClaroJacuí
CastroAlvesItaúba
14deJulhoDonaFranciscaPassoSãoJoão
SãoJoséBugres
PassoFundoPassoReal
SantaCatarin
aParaná
RioGrande
doSul
PegadaHídrica(m3GJ-1)
16/8/16 32
02468101214
0
50
100
150
200
250
300
AET(106m
3 )
Pegada
hídric
a(m
3 GJ-1)
Pegadahídrica Evaporaçãodelago(AET)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
050100150200250300
Geração
men
saldeen
ergia
(106GJ)
Pegada
hídric
a(m
3 GJ-1)
Pegadahídrica Geraçãomensaldeenergia
Resultados e Discussão Influências relativas da evaporação e da geração de energia
16/8/16 33
y=95,835xR²=0,95961
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Pegada
hídric
améd
ia(m
3 GJ-1)
Áreaalagada/Potênciaoutorgada(km2MW-1)
Resultados e Discussão Influência da relação área alagada / potência outorgada
16/8/16 34
50°W55°W
25°S
30°S
Brasil
40°W60°W
0°30
°S
0 50 100 km
A/PO (km²/MW)
1,42 1,14 0,85 0,57 0,28 0
Hidrografia 1:2.500.000
Pegada hídrica média (m³/GJ)
150 - 155
0,05 - 5
Resultados e Discussão Distribuição espacial das pegadas hídricas e da relação área alagada/potência outorgada
• Profundidade média do reservatório • Latitude • Altitude (N.A. a montante) • Relação queda bruta / altura da
barragem • Potência outorgada
16/8/16 35
Resultados e Discussão Variáveis sem correlação evidente com a pegada hídrica
0 50 100 150 200
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 50 100 150 200
Pegada
hídric
améd
ia(m
3 GJ-1)
Profundidademédiadoreservatório(m)
1E-01 1E+00 1E+01 1E+02
1E-02
1E-01
1E+00
1E+01
1E+02
1E+03
1E-02
1E-01
1E+00
1E+01
1E+02
1E+03
1E-01 1E+00 1E+01 1E+02Pe
gada
hídric
améd
ia(m
3 GJ-1)
Quedabruta/Alturadobarramento
1E+01 1E+02 1E+03 1E+04
020406080100120140160180
020406080100120140160180
1E+01 1E+02 1E+03 1E+04
Pegada
hídric
améd
ia(m
3 GJ-1)
Potênciaoutorgada(MW)
Conclusões e Recomendações
16/8/16 37
Verificar a sensibilidade, a variáveis selecionadas, de um modelo para estimativas de evaporação baseado na relação complementar
SensibilidadesignificaVva Sensibilidadedesprezível
• Temperaturamédiadoar• Insolação• Profundidademédiadoreservatório
• Alftude• Salinidade• Precipitaçãomédiaanual• Umidaderelafvamédia
Conclusões Objetivo específico a
16/8/16 38
Estimar as perdas por evaporação em reservatórios de aproveitamentos hidrelétricos do Sul do Brasil
Conclusões Objetivo específico b
16/8/16 39
Verificar possíveis correlações entre características dos aproveitamentos hidrelétricos e suas respectivas pegadas hídricas
CorrelaçãocomPHaparente CorrelaçãocomPHnãoaparente
• Áreasuperficialdoreservatório• Relaçãoáreaalagada/potência
outorgada
• Profundidademédiadoreservatório• Laftude• Alftude• Relaçãoquedabruta/alturada
barragem• Potênciaoutorgada
Conclusões Objetivo específico c
• Considerar cenários alternativos: • Variação intermensal nas áreas superficiais • Alternativas de cálculo da pegada hídrica • Aproveitamentos com menor capacidade instalada (PCH e CGH) • Influência de perdas nas linhas de transmissão
• Estimar a pegada hídrica de outras fontes de energia em uso
no Sul do Brasil (p. ex. carvão mineral) • Verificar exportações e importações de água virtual entre
estados através do Sistema Interligado Nacional (SIN)
16/8/16 40
Recomendações
• BAKKEN, T. H. et al. Water consumption from hydropower plants – review of published estimates and an assessment of the concept. Hydrology and Earth System Sciences, v. 17, p. 3983–4000, 2013. Disponível em: < http://www.hydrol-earth-syst-sci.net/17/3983/2013/ >.
• CONSÓRCIO EMPRESARIAL SALTO PILÃO. Desenho Técnico. 20---a. Disponível em: < http://www.usinasaltopilao.com.br/obra/desenho.asp >
• FALKENMARK, M.; ROCKSTRÖM, J. The new blue and green water paradigm: Breaking new ground for water resources planning and management. Journal of water resources planning and management, 2006.
• IPCC: Edenhofer, O., Pichs-Madruga, R., Sokona, Y., Seyboth, K., Matschoss, P., Kadner, S., Zwickel, T., Eickemeier, P., Hansen, G., Schlömer, S., and von Stechow, C. E.: IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA, 2012.
• MEKONNEN, M.M.; HOEKSTRA, A.Y.. The water footprint of electricity from hydropower. Delft: Unesco-ihe Institute For Water Education, 2011. (Value of Water Research Report Series No. 51).
Referências bibliográficas
16/8/16 41
Muito obrigado
Slides suplementares
16/8/16 44
Fonte:adaptadodeHerathetal.(2011)
Consideração básica
A Pegada Hídrica da geração de energia hidrelétrica
Fonte:IPCC(2012)
Hidroelétrica
16/8/16 45
Valores médios por fonte de energia segundo o IPCC A Pegada Hídrica
16/8/16 46
azul verde – Águas pluviais
cinza – Poluição
Águas superficiais
Águas subterrâneas
Classificação A Pegada Hídrica
Fonte:adaptadodeFalkenmarkeRockström(2006)
Objetivos Específicos
16/8/16 47
a)
b) c)
WREVAP
16/8/16 48
O “efeito oásis”
16/8/16 49
Fonte:adaptadodeBouchet(1963)
A Relação Complementar para a Evapotranspiração
16/8/16 50
Fonte:adaptadodeMorton(1983a)
16/8/16 51
A Relação Complementar para a Evaporação
Fonte:adaptadodeMorton(1983b)
16/8/16 52
1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03
1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03
SaltoPilãoCamposNovosQuebraQueixo
MachadinhoFozdoChapecó
ItáPalmeiras
BarraGrandeGaribaldiFundão
GovParigotdeSouzaSaltoOsórioGovBragaOurinhos
ItaipuGovRochaNeto
GovRichaSaltoGrandeSaltoSanfago
SantaClaraChaminé
MauáTaquaruçuGuaricanaCanoasIICanoasIRosana
CapivaraChavantesCanastra
MonteClaroJacuí
CastroAlvesItaúba
14deJulhoDonaFranciscaPassoSãoJoão
SãoJoséBugres
PassoFundoPassoReal
SantaCatarin
aParaná
RioGrande
doSul
PegadaHídrica(m3GJ-1)
16/8/16 53
1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04
1E-02
1E-01
1E+00
1E+01
1E+02
1E+03
1E-02
1E-01
1E+00
1E+01
1E+02
1E+03
1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04
Pegada
hídric
améd
ia(m
3 GJ-1)
Áreasuperficialdoreservatório(km2)
Geraçãomédia>500TJ/ano Geraçãomédia⋜500TJ/ano
Resultados e Discussão Influências da área superficial do reservatório e geração média de energia
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