Usina de Itaipu: a conta que a potência instalada esconde

Em 2020 a usina de Três Gargantas, na China, tirou da usina de Itaipu o recorde mundial de geração anual. Levou quatro anos para conseguir, e precisou de 61% mais potência instalada para superar a marca brasileira por apenas 8,4%.

Esse par de números é a coisa mais interessante sobre Itaipu, e quase nunca aparece nas listas de curiosidades. Ele diz que potência instalada e energia gerada são grandezas diferentes, e que a segunda é a que paga a conta.

Este artigo faz as contas com os números oficiais das duas usinas, explica de onde vem a vantagem de Itaipu, e mostra a esquisitice elétrica que quase ninguém conhece: metade da usina gera numa frequência que o Brasil não usa.

A usina de Itaipu em números

Itaipu fica no rio Paraná, na fronteira entre Brasil e Paraguai, e é binacional: pertence aos dois países em partes iguais. Entrou em operação em 1984 e, segundo a própria empresa, já acumula mais de 3 milhões de GWh gerados desde então.

Dos 90 bilhões de kWh médios, 60 vão para o Brasil e 30 para o Paraguai — divisão que vem do tratado, não da física.

Potência instalada não é energia

Três Gargantas tem 34 geradores somando 22.500 MW. Itaipu tem 20 somando 14.000 MW. No papel, a usina chinesa é 61% maior.

Em 2020 ela gerou 111,795 bilhões de kWh e bateu o recorde mundial anterior, que era de Itaipu: 103,098 bilhões de kWh, de 2016. Uma diferença de 8,4%.

Índice com Itaipu igual a 100, usando o ano recorde de cada usina. A barra que importa é a de baixo.

Colocando de outro jeito: Itaipu entrega 92% da energia de Três Gargantas usando 62% da potência instalada. Cada megawatt instalado em Itaipu produziu, no ano recorde, cerca de uma vez e meia o que produziu um megawatt instalado na China.

A grandeza que mede isso se chama fator de capacidade: a energia realmente gerada dividida pela energia que a usina geraria se ficasse o ano inteiro na potência máxima. A conta é direta.

Itaipu em 2016: 103,098 TWh divididos por 14.000 MW × 8.784 horas, que dão 122,976 TWh. Resultado: 83,8%. Três Gargantas em 2020: 111,795 dividido por 197,640 TWh. Resultado: 56,6%.

Num ano típico, com 90 TWh, Itaipu opera a 73%. Para comparar com o resto da matriz brasileira, um parque eólico bom fica perto de 40% e um solar fotovoltaico perto de 20%. Itaipu é uma das máquinas de energia mais constantes que existem.

De onde vem essa constância

A explicação não está na engenharia das turbinas — as duas usinas usam turbinas Francis modernas e de rendimento parecido. Está no rio.

O Paraná, na altura de Itaipu, tem vazão relativamente regular ao longo do ano. O Yangtze, onde está Três Gargantas, tem regime de monções: enchente violenta no verão e estiagem no inverno. Uma usina projetada para engolir a cheia precisa de muitas turbinas que, no resto do ano, ficam paradas por falta de água.

É por isso que Três Gargantas tem 34 unidades de 662 MW e Itaipu tem 20 de 700 MW. As unidades chinesas são individualmente menores e em maior número, dimensionadas para um pico sazonal; as brasileiras são maiores e trabalham quase o tempo todo.

Uma ressalva honesta: esse é o raciocínio que os fatores de capacidade impõem, combinado com o regime conhecido dos dois rios. Não é uma citação de estudo comparativo — não encontrei um que fizesse essa atribuição diretamente. Os números de geração e de potência, esses sim, são oficiais.

Vale lembrar que o rendimento de cada unidade também entra na conta final, e que calcular a eficiência de uma turbina hidráulica é um exercício separado da disponibilidade de água. As duas coisas se multiplicam.

Metade da usina gera numa frequência que o Brasil não usa

Aqui está a parte que quase nenhum texto sobre Itaipu conta. O Brasil opera sua rede elétrica em 60 Hz. O Paraguai opera em 50 Hz. Itaipu é dos dois países, e resolveu isso da forma mais direta possível: metade das unidades geradoras trabalha em cada frequência.

São dez unidades em 60 Hz, somando 7.000 MW, que entram direto na rede brasileira em corrente alternada. E dez unidades em 50 Hz, também 7.000 MW, para o lado paraguaio.

Duas metades elétricas, dois caminhos. O da direita não existiria se os dois países usassem a mesma frequência.

O problema é que o Paraguai consome uma fração pequena da sua metade. O excedente é vendido ao Brasil — e energia em 50 Hz não pode simplesmente entrar numa rede de 60 Hz. Não é questão de tomada: são duas redes que oscilam em ritmos diferentes e não podem ser ligadas uma na outra.

O elo de corrente contínua, e por que ele é o gargalo

A solução foi construir um dos maiores sistemas de transmissão em corrente contínua do mundo. A energia de 50 Hz chega à conversora de Foz do Iguaçu, vira corrente contínua, viaja em ±600 kV até a conversora de Ibiúna, em São Paulo, e ali volta a ser alternada em 60 Hz.

Corrente contínua não tem frequência. É exatamente por isso que ela serve de ponte entre duas redes que não combinam — e, de quebra, transmite a longa distância com menos perda que a alternada.

Segundo a Hitachi Energy, que construiu o sistema, são dois bipolos de 3.150 MW cada, totalizando 6.300 MW. O primeiro entrou em operação em outubro de 1984 a 300 kV e chegou a 600 kV em julho de 1985; o segundo, em julho de 1990. Foi a maior e mais potente transmissão em corrente contínua do mundo por mais de vinte anos, até ser superada em 2010.

E aqui aparece o número que define o limite do sistema: 6.300 MW de capacidade de conversão para uma metade que gera 7.000 MW. O elo é 10% menor que a geração que ele precisa escoar. Não é um erro de projeto — é uma escolha econômica, já que a metade de 50 Hz nunca opera com todas as dez unidades no máximo e sem nenhum consumo paraguaio. Mas é o que faz da capacidade de conversão, e não da água, o teto de quanto dessa metade chega a São Paulo.

Cada uma dessas conversoras é um parque de transformadores e válvulas, e o princípio básico por trás delas é o mesmo descrito em como funciona um transformador de energia, levado a uma escala incomum.

A barragem

A estrutura tem 196 metros de altura e 7.235 metros de comprimento — mais de sete quilômetros de barramento, somando o trecho de concreto e os trechos de terra e enrocamento. O reservatório cobre 1.350 km².

A altura da barragem não é a mesma coisa que a queda aproveitada. O desnível que efetivamente move as turbinas é bem menor que 196 metros, porque a água do outro lado também tem altura — a queda útil é a diferença entre os dois níveis, não a altura da parede. É o mecanismo geral descrito em como funciona uma barragem hidrelétrica.

E é essa queda, multiplicada pela vazão que passa por cada turbina, que determina a potência. A relação entre altura disponível e vazão é a mesma que aparece em qualquer sistema hidráulico, inclusive nos prediais — o artigo sobre como calcular vazão trata do mesmo par de variáveis em outra escala.

Uma barragem desse porte também tem um problema permanente que raramente se discute: manter a água do lado certo das juntas de concreto, por décadas, sob pressão. É o assunto dos sistemas de vedação em usinas.

Perguntas frequentes

Itaipu ainda é a maior usina do mundo? Em potência instalada, não: Três Gargantas tem 22.500 MW contra 14.000 MW. Em geração anual, Itaipu deteve o recorde mundial com os 103,098 bilhões de kWh de 2016 até 2020, quando a usina chinesa chegou a 111,795 bilhões. Hoje Itaipu é a segunda nas duas listas — e a primeira em fator de capacidade entre as duas.

Quantos megawatts Itaipu gera? A potência instalada é 14.000 MW, que é o máximo que ela pode entregar num instante. O que ela gera ao longo de um ano é outra coisa: cerca de 90 bilhões de kWh em média, o que equivale a operar continuamente a aproximadamente 10.300 MW.

Por que a usina tem duas frequências? Porque é binacional e os dois donos têm redes diferentes: 60 Hz no Brasil, 50 Hz no Paraguai. Em vez de impor uma frequência a um dos lados, o projeto dividiu as vinte unidades em duas metades e construiu o elo de corrente contínua para transferir o excedente paraguaio.

O que é fator de capacidade, em uma frase? É quanto da capacidade a usina realmente usa ao longo do ano. Uma usina de 100 MW que gera 876 GWh num ano de 8.760 horas teve fator de capacidade de 100%; se gerou 438 GWh, teve 50%.

Por que não aumentar a potência instalada de Itaipu? Porque a limitação não é de máquina, é de água. Com fator de capacidade já em 73% a 84%, acrescentar turbinas só ajudaria nas cheias — e essa é exatamente a estratégia que deixa Três Gargantas com 56%. O ganho de energia seria pequeno diante do custo.

O Brasil consome toda a energia de Itaipu? Não. Pelo tratado, metade da energia é do Paraguai. Como o consumo paraguaio é muito menor que sua cota, o excedente é vendido ao Brasil — e é justamente esse excedente que depende do elo de corrente contínua para chegar.

O princípio que organiza tudo

A usina de Itaipu é a melhor demonstração brasileira de uma ideia que vale para qualquer fonte de energia: potência é o que a máquina pode fazer; energia é o que ela faz. Entre as duas está o fator de capacidade, e ele depende mais do recurso natural do que do equipamento.

É por isso que comparar usinas por megawatt instalado engana. Um parque solar de 14.000 MW geraria por volta de um quarto do que Itaipu gera, com a mesma placa na entrada. O número que importa nunca está na placa.

E a segunda lição é elétrica: quando duas redes não combinam, a solução é tirar a frequência do caminho. Foi o que Itaipu fez em 1984, e é a mesma razão pela qual a corrente contínua voltou a crescer no mundo inteiro quatro décadas depois.

Fontes

• Itaipu Binacional — Geração. Vinte unidades geradoras, 14 GW de potência instalada e mais de 3 milhões de GWh acumulados desde 1984.
• Itaipu — Dados técnicos. Potência de 700 MW por unidade, barragem de 196 m de altura e 7.235 m de comprimento, reservatório de 1.350 km², geração média anual de 90 bilhões de kWh com 60 para o Brasil e 30 para o Paraguai.
• Three Gorges Dam sets power generation record in 2020. Os 111,795 bilhões de kWh de 2020, os 34 geradores somando 22,5 milhões de kW, e o recorde anterior de 103,098 bilhões de kWh de Itaipu em 2016.
• Hitachi Energy — Itaipu. Dois bipolos de ±600 kV e 3.150 MW cada, totalizando 6.300 MW entre Foz do Iguaçu e Ibiúna, com as datas de entrada em operação e a razão da escolha por corrente contínua.

Imagem de destaque: barragem da usina de Itaipu. Foto: Leandro Neumann Ciuffo / Wikimedia Commons, CC BY 2.0.