As turbinas hidráulicas são equipamentos mecânicos que aproveitam o fluxo de água e a queda disponível para gerar energia de forma eficiente e sustentável. “As turbinas hidráulicas convertem energia potencial da água armazenada em barragens em energia cinética, ou seja, em rotação de um eixo que transfere torque para um gerador hidrelétrico. No gerador, a energia cinética é transformada em energia elétrica que abastece as redes de distribuição” – explicam Sérgio Gomes, diretor de vendas e marketing, com contribuição de Alexandre Godoy, diretor da divisão de bombas, ambos da Andritz Hydro. 
As turbinas hidráulicas geram energia renovável e contribuem para a estabilidade do sistema elétrico brasileiro. “Serão extremamente necessárias na transição energética, pois com a entrada massiva de fontes de geração intermitentes, como Solar e Eólica, o sistema elétrico necessitará de turbinas hidráulicas para garantir a estabilidade da rede elétrica e para controle de frequência do sistema” – afirmam Sérgio Gomes e Alexandre Godoy. 
Hoje vários componentes tecnológicos digitais atuam na gestão e otimização do funcionamento das modernas turbinas hidráulicas.
 
Alta velocidade 
A turbina hidráulica é utilizada em centrais hidroelétricas para gerar eletricidade a partir da força da água dos rios, lagos ou barragens e pode ser usada ainda em sistemas de irrigação e bombeamento de água. Possui pás que giram acionadas pela água em movimento e transferem energia cinética para o eixo da turbina que gira em alta velocidade e transforma-se em energia mecânica. 
Ao ser conduzida para a turbina, a água, devido à sua altura, possui energia potencial ou pela velocidade do seu fluxo energia cinética. “A passagem da água pelo rotor da turbina faz girá-lo em certa velocidade definida. Esse movimento de rotação é transferido para um gerador hidrelétrico, que converte a energia mecânica em energia elétrica” – explicam Sérgio Gomes e Alexandre Godoy.

Comandos digitais 
As modernas turbinas hidráulicas podem ser controladas e monitoradas por tecnologias digitais. “O uso de comandos digitais e automação é comum em sistemas modernos de geração de energia em usinas hidrelétricas, melhorando a eficiência, a segurança e a operação das turbinas” – ressaltam Gomes e Godoy.
O uso de tecnologias digitais e automação melhoram o desempenho, o controle e a manutenção das turbinas hidráulicas modernas. “Esses sistemas incluem controle Scada, sensores digitais, algoritmos de otimização, monitoramento remoto e até inteligência artificial, permitindo operação mais eficiente, segura e sustentável das usinas hidrelétricas” – destacam.
De acordo com Gomes e Godoy, essas inovações otimizam a produção de energia. “Reduzem ainda custos de manutenção e melhoram a confiabilidade do sistema” – acrescentam.

Avanços
Principais avanços tecnológicos nas turbinas hidráulicas citados pela Andritz Hydro:
• Melhoria das eficiências com simulações de CFD (Computational Fluid Dynamica, em português, Dinâmica Computacional dos Fluidos) e novos ensaios de modelo. Com melhores eficiências, as turbinas podem produzir mais energia com a mesma quantidade de água, o que é muito importante para o meio ambiente;
• Materiais mais resistentes contribuem para vida útil mais longa das turbinas modernas;
• Sistemas de controle e monitoramento mais avançados para otimizar a performance das turbinas e planejamento de manutenções por estado (preditivas), reduzindo tempos de manutenção e aumentando a disponibilidade;
• Podem ser aplicadas em geração distribuída por modernos sistemas de automação;
• Usinas reversíveis onde são instaladas turbinas que podem bombear ou turbinar água. Este tipo de usina é uma grande “bateria” de água. Quando o sistema tem energia sobrando e barata, a turbina trabalha como bomba e armazena água em reservatório superior. Quando o sistema precisa de energia, o equipamento passa a operar como turbina, gerando energia com a água armazenada;
• Turbinas com rotação variável operam com rotações diversas, ajustando-se à queda disponível, e conseguem melhores eficiências e mais produção de energia.
Novas tecnologias:
• As turbinas de mares são instaladas no fundo do mar ou em rios;
• Já as turbinas hidrocinéticas são para fluxo em rios;
• Existem as turbinas amigas dos peixes – fish friendly;
• E também as turbinas livres do óleo – oil free;
• Enquanto as turbinas Francis operam de 0% a 100% na faixa de potências.
Fonte: Andritz Hydro.

Como funcionam 
A turbina hidráulica converte a energia cinética da água em energia mecânica que se transforma em energia elétrica por geradores.
Funcionamento de turbina hidráulica:
• Captação da água de reservatórios ou rios;
• Transporte da água através de condutos forçados até a turbina;
• Entrada na turbina, onde a água impacta ou passa pelas pás do rotor;
• Giro da turbina devido ao impacto ou variação de pressão da água;
• Conversão da energia mecânica pelo giro da turbina em energia elétrica no gerador;
• Transmissão da eletricidade gerada para a rede elétrica;
• Saída da água para os canais de fuga, retorno ao curso normal do rio;
• Controle e monitoramento da operação para otimização.

Específicas
Cada uma dos três tipos de turbinas hidráulicas existentes é adequada para ranges específicos de queda útil e vazão disponível no aproveitamento hidrelétrico.
As turbinas são classificadas como:
As Turbinas tipo Francis e Kaplan são equipamentos de reação nos quais a energia de pressão da água é transformada em energia mecânica pela variação de pressão ao longo das pás dos rotores das turbinas. O fluxo da água dentro das turbinas é geralmente misto, combinando movimento axial da água ao longo do eixo e radial da água ao longo das pás dos rotores. Atendem quedas de água baixas ou médias.
Enquanto as Turbinas do tipo Pelton são equipamentos de ação nos quais a energia da água é convertida em energia mecânica pela ação direta do jato de água nas conchas do rotor Pelton. Atendem altas quedas de água.

Tipos de turbinas:
Turbina Francis – Para quedas d’água médias, entre 40 e 400 metros, e vazões altas. Podem ter eixo na vertical para grandes turbinas de alta potência ou eixo na horizontal para turbinas menores de baixa potência aplicadas em Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH). No Brasil, as maiores turbinas Francis verticais estão instaladas na Usina de Itaipu, no Rio Paraná, fronteira entre Brasil e Paraguai, onde cada turbina produz mais de 700 MW.
Turbinas Kaplan – Voltadas para quedas d’água baixas, até 40 ou 50 metros, e vazões altas. Também têm eixo na vertical ou na horizontal. As de eixo horizontal são conhecidas como “Turbinas Bulbo”. No Brasil, nas grandes usinas do Norte, como Santo Antônio e Jirau, em Rondônia, estão instaladas mais de 90 Turbinas Bulbo. Cada uma delas produz cerca de 75 MW.
Turbinas Pelton – Aplicadas em quedas d’água altas, acima de 400 metros, e vazões baixas. Também têm eixo na vertical ou na horizontal. Aplicadas em regiões montanhosas, como nos países onde passa a Cordilheira do Andes. No Brasil, existem instalações grandes, caso das Usinas de Henry Borden Interna, com seis turbinas Pelton Verticais; das Usinas de Henry Borden Externa, com oito turbinas Pelton Horizontais, ambas localizadas em Cubatão (SP); e da Usina Governador Parigot de Souza, no Paraná, com quatro turbinas Pelton Verticais, de 65 MW cada uma.
Bombas que operam como turbina – Aplicadas em água ou efluentes industriais ou municipais, as bombas utilizadas para colocar energia no líquido podem operar em sentido inverso, ou seja, gerando energia. A Andritz oferece  desde os cálculos de transientes hidráulicos, bombas como turbina, geradores e sistemas de controle integrados em único projeto. As bombas como turbina da empresa operam até 4 MW de potência, vazões de 10 m³/s e quedas d´água de até 300 m. Há diversos sistemas instalados na região da América do Sul onde se gera energia a partir de água bruta, água tratada e de efluentes industriais.

Aplicações  
As turbinas hidráulicas são muito utilizadas em diversas aplicações que convertem energia cinética da água em energia mecânica e elétrica. 
Principais aplicações:
• Geração de energia elétrica em usinas hidrelétricas;
• Bombas hidráulicas – turbinas reversíveis ou bombas;
• Geração de energia em Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs);
• Sistemas de potência em navios com turbinas hidráulicas marítimas;
• Turbinas de corrente ou turbinas de maré;
• Grandes sistemas de armazenamento de energia – usinas reversíveis  (Sistemas de armazenamento hidroelétrico);
• Substituição de válvulas redutoras de pressão (VRPs) por turbinas hidráulicas em sistemas de distribuição de água municipais;
• Retorno de efluentes industriais e municipais.
Fonte: Andritz Hydro. 
 

Contato da empresa
Andritz Hydro: www.andritz.com