BRPI0912955B1

BRPI0912955B1 - método de construção de um sistema de geração de energia hidroelétrica em um ambiente e sistema de geração de energia hidroelétrica em um ambiente

Info

Publication number: BRPI0912955B1
Application number: BRPI0912955A
Authority: BR
Inventors: Jankel Paul
Original assignee: Jankel Paul
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2018-09-25
Also published as: UY32459A; CL2011000351A1; AU2009284018B2; US20110133464A1; PT2321468T; MX2011001763A; BRPI0912955A2; GB0815311D0; PE20110789A1; US8820063B2; ECSP11010836A; CO6341658A2; EP2321468B1; NZ591267A; EP2321468A1; WO2010020779A1; AU2009284018A1; ES2586284T3

Description

(54) Título: MÉTODO DE CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA

HIDROELÉTRICA EM UM AMBIENTE E SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA HIDROELÉTRICA EM UM AMBIENTE (51) Int.CI.: E02B 9/00; F03B 13/06 (30) Prioridade Unionista: 21/08/2008 GB 0815311.6 (73) Titular(es): PAUL JANKEL (72) Inventor(es): PAUL JANKEL (85) Data do Início da Fase Nacional: 16/02/2011

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MÉTODO DE CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA DE GERAÇAO DE ENERGIA HIDROELÉTRICA EM UM AMBIENTE E SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA HIDROELÉTRICA EM UM AMBIENTE

A presente invenção é direcionada a um método para 5 a construção de um sistema de geração de energia hidroelétrica e a sistemas de geração de energia hidroelétrica construídos por este método.

Atualmente, uma série de problemas fundamentais limita a capacidade para construir e usar sistemas de geração de energia hidroelétrica.

Sistemas típicos de geração de energia hidroelétrica requerem a construção de uma represa em um vale no caminho de um rio. O fluxo de água no rio, então, faz que a água acumule, o nível da água se eleva, e o volume de água resultante é” usado para^- geração de' energia hidroelétrica—entre a parte superior do nível da água e a base da represa.

Estes sistemas de geração de energia hidroelétrica requerem que uma grande área de terrã^-seja usada, incorrem em custos substanciais de construção, afetam o fluxo de água a jusante, tem um efeito visualmente danoso na área da represa e área resultante do reservatório, e têm um efeito substancial, e danoso nas plantas e vida selvagem a jusante devido .ao lodo que previamente escorreu pelo comprimento total do rio ser coletado no reservatório e ser impedido de fluir a jusante.

__ Uma alternativa é operar sistemas de geração de energia hidroelétrica de 'volume' baixo, operacionais no rio, que não requerem que uma represa seja construída, mas requerem que um volume extremamente grande de água flua através deles de__modo__a gerar suficiente energia elétrica para garantir sua construção. Estes também possuem desvantagens e, em especial, tornam mais lento a taxa de fluxo da água no rio e, também, causam alterações

2/24 substanciais no rio. Embora sistemas de operação no rio possam ser construídos para usar apenas uma pequena porção da água que flui em um rio, a produção de energia é pequena.

Os sistemas de geração de energia hidroelétrica 5 convencionais também falham em se beneficiar de fontes de água que provêem uma grande energia potencial, tais como quedas d'água em montanhas e outras fontes de água de queda livre. Estas fontes de água são especialmente úteis, visto que elas podem prover uma grande queda vertical, e o desvio de água para um sistema de geração de energia hidroelétrica em seu caminho para o fundo da queda vertical não necessita causar qualquer efeito ambiental adverso.

Geração hidroelétrica convencional possui vários problemas.

1) Uso da Terra: Existir umá^-'carência ~de locais topograficamente adequados e disponíveis para represas no mundo desenvolvido. A terra é um recurso escasso e valioso; sempre que uma represa é construída ocorrerá considerável perda de áreas de terra.

2) Extração de água: Esquemas hídricos de baixo 'volume', que, por exemplo, abrangem projetos convencionais de operação no rio, são forçados a usar enormes quantidades de água para gerar energia suficiente para economicamente garantir sua construção. Isto usualmente envolve bloqueio de navegação no rio. Represas bloqueiam completamente os rios e usam todo o fluxo do rio para gerar eletricidade.

3) Grandes gastos com represas e infra-estrutura: Em todos os casos de geração hidroelétrica comercial, existe um grande investimento de capital em concreto e âço. Evitar

0 esta despesa seria um melhoramento enorme, tanto de uma perspectiva econômica quanto ambiental. 'Existe também um consumo imensurável de carbono na construção de projetos hidroelétricos de grande escala.

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4) É amplamente aceito que sistemas de geração de energia hidroelétrica convencionais gastam pelo menos oitenta por cento de sua vida útil operacional para repagar seus custos de construção.

5) Tubulação superficial: Isto é ambientalmente danoso e impossível de instalar em penhascos e inclinações agudas.

6) Substituições nas Instalações: Em muitos esquemas hidroelétricos de grande escala, os geradores de turbina são construídos na fundação da represa, tornando difícil ou mesmo impossível substituí-los. Isto naturalmente conduz a uma degradação da eficiência destes sistemas com o passar do tempo.

7) Biodiversidade no eco-sistema local: Conforme mencionado^-acima,.....represas^-convencionais^--e' 'esquemas de operação no rio requerem o uso da totalidade ou quase totalidade da fonte de água. Isto indisponibiliza os rios para a vida selvagem local·'. Ã^-extração de águae seu efeito^ na biodiversidade é uma preocupação crescente globalmente e é uma consideração limitativa para um novo projeto hidroelétrico.

Além disso, existem numerosos locais montanhosos e fortemente inclinados com queda de água natural onde não existe possibilidade de represar ou construir um esquema operacional no rio. A presente invenção busca fazer uso destes locais. Estes locais (por exemplo, localidades montanhosas) são também, freqüentemente, distantes de uma rede de energia nacional ou local convencional, e a presente invenção busca superar este problema provendo um sistema de geração de energia hidroelétrica que possa ser instalado nestes locais e conectado a uma rede de energia tal como uma rede de energia local ou nacional.

Estado da técnica relevante inclui JP 11081288, US

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4014173, SU 589329 e JP 10299636. A JP 11081288 revela um sistema no qual água é passadá de uma fonte de água (W) em uma primeira altura (hi) sobre uma turbina de geração de eletricidade (1) para um compartimento de armazenagem de água (15) de um tanque (13) em uma segunda altura (h₂) . Um efeito de sifão é, então, usado para remover a água do compartimento de armazenagem de água, retornando a mesma substancialmente para a primeira altura (hi) da qual ela, então, sai para a fonte de água na segunda altura (h₂) . Como será observado, sifões se baseiam em pressão hidrostática para acionar água. A equação de Bernoulli descreve a ação de sifões e pode ser usada para derivar a altura máxima e taxa de fluxo de um sifão, e confirma que a altura máxima possível de um sifão é de aproximadamente 10 metros, e quanto maior a altura, mais lenta a velocidade de fluxo de água nb sifão. Portanto, esse sistema tem limitações fundamentais em termos de queda vertical que ele pode acomodar e o sifonamento subseqüente da água distante do compartimento de armazenagem de água (15) do tanque (13).

US 4014173 revela um sistema de represa no qual uma turbina de energia é acionada pela cabeça da represa, água sendo transportada de uma altura na parte inferior da represa (abaixo do nível da superfície do rio 12) e então retorna a mesma para uma altura acima do nível superficial do rio 12.

SU 589329 revela um sistema hidroelétrico subterrâneo no qual um conduto (3) carrega água de um reservatório para baixo em uma turbina e, então, por meio de um tubo de sucção para um reservatório inferior.

JP 10299636 revela um sistema de usina de água operacional no rio__________..... . '_________ . __________

Conforme observado acima, estes sistemas do estado da técnica são tanto limitados às fontes de água que eles são capazes de usar, quanto resulta em impacto ambiental adverso

5/24 substancial por, por exemplo, requerer a construção de represas e, dessa maneira, afetando adversamente o fluxo de água a jusante da represa.

Além do mais (e conforme discutido abaixo) , os sistemas do estado da técnica requerem um fluxo de água relativamente alto de modo a gerar uma quantidade dada de energia, têm uma produção baixa de energia por metro cúbico de água que passa através deles, e a produção de dióxido de carbono total por megawatt hora de eletricidade gerada durante a vida útil da instalação hidroelétrica é alta se comparado com aquela da presente invenção.

A presente invenção busca superar as desvantagens do estado da técnica. De acordo com a presente invenção, é provido um método de construção de um sistema de geração de energiã^Hidróeiétrica em unT ambientçT compreehdèhdo umã f onte de água que flui de uma primeira altura para uma segunda altura, a primeira altura estando pelo menos 10 metros acima da segunda altura, o método compreendendo as etapas de:

(i) construir uma caverna de energia subterrânea em um local adjacente à referida fonte de água na referida segunda altura;

(ii) executar perfuração direcional para definir um primeiro túnel da referida caverna de energia subterrânea para um local de fonte de água na referida fonte de água ou adjacente a ela na referida primeira altura, o referido primeiro túnel tendo um diâmetro não superior a 6 metros;

(iii) instalar tubulação no referido primeiro túnel para definir um primeiro conduto que durante o uso transporta água do referido local de fonte de água para a referida caverna de energia subterrânea; ________________ (iv) construir um segundo conduto da referida caverna de energia subterrânea para a referida fonte de água na referida segunda altura ou abaixo dela;

6/24 (v) executar perfuração direcional para definir um segundo túnel da referida caverna de energia subterrânea para uma rede de energia;

(vi) instalar pelo menos uma turbina geradora de 5 eletricidade na referida caverna de energia subterrânea em comunicação de fluxo fluido com o referido primeiro túnel e referido segundo conduto;

(vii) instalar pelo menos um cabo de eletricidade no referido segundo túnel conectando a referida pelo menos uma turbina geradora de eletricidade à referida rede de energia; e (viii) quando o referido local de fonte de água não está em comunicação de fluxo fluido com a referida fonte de água na referida primeira altura, colocar o referido local de fonte de água em comunicação de fluxo fluido com a referida fonte de água na referida primeira altura.

Além da eclusa e pontos de acesso físicos, o restante da construção é subterrâneo. Isto é intencional para reduzir o impacto ambiental do sistema. Isto por sua vez facilita um processo de aprovação mais fácil em áreas ambientais sensíveis, e na verdade permite a construção de um sistema de geração de energia hidroelétrica em áreas que, por outro lado, seriam inadequadas para outros (estado da técnica) sistemas de geração de energia hidroelétrica.

A presente invenção cria uma cabeça extremamente elevada _de___água__no___fundo do primeiro túnel, até aproximadamente quarenta atmosferas de pressão. Um objetivo da presente invenção é (conforme detalhado abaixo) reduzir a extração de água a um mínimo. Conforme a cabeça de água é dobrada, a água requerida para produção, é reduzida na metade para produzir a mesma energia.

Focando em quedas d'água e fontes de água de queda livre, a presente invenção reduz adicionalmente o impacto na

7/24 biodiversidade local. A extração de água é um assunto sensível para qualquer vida aquática fluvial. Em 'áreas de beleza excepcional' designadas, tais como parques nacionais, a quantidade de água extraída de qualquer fonte de água pode ser limitada puramente por fatores estéticos. A presente invenção maximiza a produção de energia em relação à quantidade de água fluindo através do sistema. Conseqüentemente, apenas uma pequena porcentagem do fluxo de água de qualquer fonte de água dada necessita ser extraída. A água extraída é retornada para à fonte de água a jusante ou abaixo da segunda altura.

Como pode ser visto dos resultados mostrados nas Figuras 9 e 10 (abaixo) , a presente invenção provê uma melhoria substancial em relação às instalações de geração de

15' energia hidroelétrica do ^estado^- da “técnica em termos da produtividade de energia elétrica atingida por metro cúbico de água usada. Isto é especialmente útil em vista de potênciais alterações futuras na legislação que resultarão em cobranças feitas por volume de unidade de água usada e que

0 irão, desta maneira, premiar quem minimiza seu uso de água.

Preferivelmente, a primeira altura está pelo menos 50 metros acima da segunda altura. Preferivelmente, a primeira altura está pelo menos 100 metros acima da segunda altura. Mais preferivelmente, a primeira altura está pelo menos 200 metros, mais preferivelmente pelo menos 250 metros, mais preferivelmente pelo menos 300 metros, mais preferivelmente pelo menos 350 metros, mais preferivelmente pelo menos 400 metros acima da segunda altura, mais preferivelmente pelo menos 450, 500, 550 ou 600 metros acima

0 da segunda altura. ________ _____ ______ _________ ..___ _________________

Preferivelmente, o primeiro conduto tem uma capacidade de fluxo de pelo menos lm³ por segundo. Em certas configurações, o primeiro conduto tem uma capacidade máxima

8/24 de fluxo de menos que 2m³ por segundo. Em certas configurações, o primeiro conduto tem uma capacidade de fluxo menor ou de até 2, 3, 4, 5 ou 6 m³ por segundo.

Preferivelmente, a fonte de água na primeira altura 5 é uma fonte de água corrente livre tal como um rio. Obviamente, outras fontes de água tais como lagos que têm água fluindo para dentro e para fora deles podem ser usadas.

Preferivelmente, o método também compreende a etapa de definir uma eclusa no local da fonte de água. Eclusas podem ser construídas com filtros e dispositivos de controle de fluxo para filtrar objetos grandes que podem, por outro lado, bloquear ou danificar o primeiro conduto ou pelo menos uma turbina geradora de eletricidade e para controlar o fluxo no primeiro conduto.

— — 'pfeferivelmeníê? a êclusã adícionãlmente compreende meios de prevenção de vórtice.

Preferivelmente, o primeiro túnel tem um diâmetro não superior a 5, mais preferivelmente não superior a 4, mais preferivelmente não superior a 3, mais preferivelmente não superior a 2 metros.

Preferivelmente, a tubulação instalada no primeiro túnel para definir o primeiro conduto é instalada para definir uma tubulação única. Entretanto, a necessidade absoluta para isto pode variar dependendo do tipo de rocha que define o primeiro túnel. Por exemplo, seções do túnel que são definidas por rocha escassamente porosa__ podem não necessitar ter tubulação instalada, enquanto outras seções que são definidas por rochas menos densas e mais porosas irão requerer a instalação de tubulação.

_____ ____ Preferivelmente, a. tubulação (especificamente para o primeiro conduto) é tubulação pressurizada. Por exemplo, com uma cabeça de 400 metros (isto é, a diferença entre a primeira e a segunda alturas) uma tubulação de grau X52 API

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5L (PSLI) de aço (Corus Steel, RU) pode ser usada. Esta tubulação pode acomodar uma pressão interna de 40 atmosferas usando uma espessura constante de 12,7 mm. A tubulação é, então, preferivelmente coberta com três camadas de proteção ⁹ 5 externa na forma de um revestimento de 3 camadas de polietileno ou polipropileno, com uma camada a prova de água protegendo a superfície interna da tubulação para melhorar a longevidade. Durante a construção, após a tubulação ter sido' soldada, ela é, então, radiografada para detectar qualquer imperfeição ou fratura na junta de solda e para confirmar que a junta será capaz de suportar a pressão operacional. Uma junta de solda defeituosa conduziría, obviamente, a uma ruptura na junta pela pressão da água durante o uso, por sua vez conduzindo a vazamento de água e uma redução na pressão

- 15- geral e~na^-geração de energia'. Luvas’ são,^- então, usadas para cobrir a solda e são aquecidas para que encolham ao redor das juntas soldadas.

' “ ““ Outras~ formas ~de ^ tubulação ficarão prontamente aparentes a uma pessoa com especialização ordinária na técnica e sua adequabilidade será determinada de acordo com os parâmetros da construção a ser executada. Por exemplo, de acordo com a cabeça e com a pressão interna, pode ser possível usar tubulação a base de carbono tal como tubulação de polipropileno. Por exemplo, tubulação de vidro reforçado (GRP) pode ser usada.

Preferivelmente, o primeiro túnel é de um diâmetro constante ao longo de seu comprimento. Preferivelmente, .· tubulação de pressão é usada no primeiro túnel tendo diâmetros interno e externo constantes (por exemplo, a

0 tubulação de Aço X52 API 5L (PSLI) (Corus Steel, RU) ) .______ ___

Alternativamente, a tubulação pode ter um diâmetro interno constante, mas variar na espessura, isto é, um diâmetro externo variável, a espessura da tubulação sendo

10/24 apropriada à pressão que é exercida durante o uso pela água passando através da tubulação. Isto pode prover uma economia de custos se comparado com o uso de tubulação de pressão ao longo de todo o comprimento do primeiro túnel. Por exemplo, tubulação de pressão pode não ser requerida na parte superior do primeiro túnel (isto é, adjacente ao local de fonte de água), enquanto na parte inferior do primeiro túnel (isto é, adjacente à caverna de energia subterrânea) a pressão operacional exercida pela água é substancialmente grande e, dessa maneira, requer uma tubulação de pressão apropriada.

Alternativamente, a tubulação pode ter um diâmetro interno variável. Dessa maneira, o diâmetro interno e/ou externo da tubulação pode ser variado de modo a permitir que ela contenha a pressão da água durante o uso.

- — — - preferiveImente? o ângulo^- médio a partir dá~posição horizontal do primeiro túnel entre a caverna de energia subterrânea e a fonte de água é de 22-35 graus. Preferivelmente, o ângulo da posição horizontal do primeiro túnel entre a caverna de energia subterrânea e a fonte de água varia entre 22 e 35 graus. Dessa maneira, o ângulo do túnel pode variar de seção para seção do túnel, mas preferivelmente permanece dentro da faixa de 22-35 graus da posição horizontal. O ângulo é preferivelmente determinado sobre uma distância de pelo menos 5 metros, mais preferivelmente pelo menos 10, 15, 20, ou 25 metros, mais preferivelmente ainda pelo menos 50 ou 10C/ metros. Isto é especificamente o caso onde a tubulação é uma tubulação de aço.

Outras formas de tubulação podem permitir diferentes faixas de ângulo__da . posição horizontal. Dessa maneira, por exemplo, pode ser apropriado para o ângulo médio da posição horizontal do primeiro túnel entre a caverna de energia subterrânea e a fonte de água ser de até 4 5 graus,

11/24 preferivelmente preferivelmente Preferivelmente, entre 22 o ângulo o ângulo

Conforme acima, aqueles valores.

e 4 5 graus varia entre é determinado em relação a uma distância de pelo menos 5 metros, mais preferivelmente pelo menos 10, 15, 20, ou 25 metros, mais preferivelmente ainda de pelo menos 50 ou 100 metros. Formas preferíveis de tubulação para estas faixas aumentadas de ângulo incluem tubos a base de carbono tais como GRP.

Preferivelmente, os comprimentos das tubulações não excedem 0,6 graus de voltas assumindo um diâmetro de aproximadamente 1 metro e um comprimento de tubulação de 10 metros.

Retendo o ângulo do primeiro túnel dentro da faixa provida de 22-35 graus da posição horizontal, uma série, de „15 _. vantagens- é- atingida· ‘Em especial “ a “tubulação que é instalada é convenientemente assentada e mantida na posição por gravidade ao invés de exercer excessivamente grandes

- - - quantidades “de “ fõrça comprêssiva na próxima seção de tubulação abaixo. Adicionalmente, a construção a auxiliada, visto que a gravidade auxilia a colocação da tubulação.

O arranjo do segundo conduto de água não necessita ser uma tubulação enterrada e é simplesmente requerida para retorno de água em uso para a fonte de água na segunda altura ou abaixo da segunda altura. Dessa maneira, por exemplo, ela pode compreender uma tubulação enterrada. Alternativamente, uma tubulação pode estar localizada na superfície. _ _

Como será visto da configuração específica, a presente invenção provê uma melhoria ambiental substancial quando comparada com sistemas de geração de energia hidroelétrica do estado da técnica, a produção total_de CO₂por megawatt hora em relação à vida total da instalação de geração de energia hidroelétrica sendo significativamente inferior em relação àquela de instalações comparáveis

12/24 existentes .

Adicionalmente, é especialmente desejável obter a produção máxima possível de energia de um volume de unidade de água dado - iniciativas da legislação ambiental são f

procedimentos que resultarão na cobrança de uma taxa ou imposto sobre cada volume unitário de água que é removido de um suprimento de água, dessa maneira encorajando a conservação de fontes de água.

A presente invenção atinge uma produtividade de energia substancialmente maior por volume unitário de água do que os sistemas de geração de energia hidroelétrica do estado da técnica, e, dessa maneira, provê uma melhoria significativa em relação ao estado da técnica.

Além disso, os baixos custos de construção atingíveis- com - a -presente invenção^- podem permitir o retorno dos custos de construção dentro de um período muito menor do que aquele dos sistemas de geração de energia hidroelétrica atuais, “ e, “ dessa marieiraT um retorno substancialmente melhorado de investimento e, assim, também encorajam e permitem a construção de sistemas de geração de energia hidroelétrica em locais que previamente não seriam economicamente viáveis ou atraentes.

Turbinas geradoras conhecidas na técnica e prontamente aparentes para de eletricidade são bem turbinas adequadas ficarão alguém com especialização ordinária na técnica. Preferivelmente, pelo menos uma turbina geradora de eletricidade é uma turbina Pelton.

Preferivelmente, a produção total de energia da pelo menos uma turbina geradora de eletricidade não é superior a 5 Megawatts. Em certas configurações, a. produção total de energia da pelo menos uma turbina geradora de eletricidade é maior que 5 Megawatts.

A produção total de energia carregada no segundo

13/24 túnel por pelo menos um cabo de eletricidade da pelo menos uma turbina geradora de eletricidade para a rede de energia pode, na prática, ser limitada pela resistência do pelo menos um cabo de eletricidade gerando calor, e a necessidade para efetuar resfriamento no segundo túnel. Obviamente, a geração de. calor pode ser reduzida pela voltagem crescente e amperagem decrescente ou pelo uso de pelo menos um cabo elétrico que tenha uma resistência inferior, mas um limite geral para a capacidade de energia conveniente e prática do pelo menos um cabo elétrico pode ser atingida. Como tal, a produção total de energia da pelo menos uma turbina geradora de eletricidade não pode ser maior que 5 Megawatts. Preferivelmente, não é superior a 4 Megawatts.

Preferivelmente, a caverna de energia subterrânea é _ fabricada -com-um teto removível .·· Por exemplo,^- otetó pode ser um teto de concreto, por sua vez coberto por solo de modo que as plantas possam crescer em cima da caverna de energia . - subterrânea.- Desta maneira', a 'caverna de energia subterrânea pode ter um impacto ambiental e estético mínimo, e pode também permitir acesso relativamente conveniente sempre que pelo menos uma turbina geradora de eletricidade subseqüentemente tiver que ser substituída - turbinas geradoras de eletricidade são peças de equipamento substanciais e, conforme observado acima, a substituição das mesmas em uma instalação de represa hidroelétrica convencional pode ser especialmente difícil. Provendo um teto ~ removível, o teto pode ser removido e acesso conveniente é obtido até a caverna de energia subterrânea - um guindaste pode, então, por exemplo, ser empregado para retirar uma turbina geradora de eletricidade existente e colocar uma turbina geradora de eletricidade em substituição àquela retirada. A cobertura de teto pode, então, ser colocada de volta e, por exemplo, plantas e solo podem ser colocados de

14/24 volta sobre ele. Este trabalho pode ser requerido apenas uma vez a cada cinquenta anos ou mais, e como tal, é uma manutenção aceitável, especificamente para a longevidade aumentada que é provida à instalação.

Preferivelmente, a caverna de energia subterrânea da etapa (i) é construída primeiramente pela construção de uma cavidade escavada da qual perfuração, instalação e construção das etapas (ii)-(vii) podem ser convenientemente executadas, e, então, colocando um teto sobre a caverna, dessa maneira'definindo a caverna de energia subterrânea.

A presente invenção também considera a praticidade de transmissão da energia gerada para a rede de energia, por exemplo, uma rede de energia local ou nacional. Usando perfuração direcional para fazer um conduto subterrâneo para cabos ₌ el_étr_icos— o - impacto - ambiental” ’é' “ àdicionalmente minimizado.

Preferivelmente, o método adicionalmente compreende a_ etapa de conectar ~a- pelo 'menos' ümã “ turbina geradora de eletricidade a uma instalação de produção de água potável de modo a energizar a instalação de produção de água potável. Preferivelmente, o método adicionalmente compreende conectar o segundo conduto ou a caverna de energia subterrânea a uma instalação de produção de água potável*, de modo a prover a mesma com água e eletricidade para a produção de água potável.

Preferivelmente, a fonte de água é água fluindo de uma queda d'água ou de um local de queda livre de água.

Em uma configuração alternativa, a fonte de água é água degelada glacial, isto é, o sistema de geração de energia hidroelétrica é construído deq modo a usar_.água degelada glacial como a fonte de água. Preferivelmente, a energia que é gerada é usada para energizar um sistema de refrigeração. Preferivelmente, o sistema de refrigeração é um

15/24 sistema de refrigeração para uma geleira. Dessa maneira, água degelada glacial pode ser usada para gerar energia, que é usada para resfriar a geleira, dessa maneira resultando em um degelo mais lento da geleira. Preferivelmente, calor do sistema de refrigeração é conduzido para a água degelada fluindo conforme ele passa ou atravessa o segundo conduto, de modo que ele é carregado para longe da geleira e não causa aquecimento da geleira.

Dessa maneira, a presente invenção supera inúmeros 10 problemas técnicos:

1) Uso de Terra: A presente invenção evita a necessidade de represas em grande escala; conseqüentemente nenhuma área de terra é perdida para construir uma represa.

2) Extração de água: A presente invenção propositalmente, cria, pressão-muito -alta -para” reduzir o fluxo de água requerido através dela a um mínimo. A presente invenção tem uma proporção muito elevada de energia gerada em . . .relação à .água extra-ída,· “se comparado' com “prògetõs existentes de sistemas de geração de energia hidroelétrica.

3) Custo de construção de infra-estrutura com capital elevado: Evitando a construção de represas o enorme investimento de capital requerido para captar hidroeletricidade de sistemas com 'cabeça' baixa, a presente invenção diminui consideravelmente os custos de construção de instalações de geração de energia hidroelétrica. A redução no uso de concreto e aço em relação à produtividade de energia também reduz o carbono emitido na manufatura dos componentes ΐ do sistema.

4) Construção da Tubulação de Superfície: Pelo uso

0 de perfuração direcional para criar _ umsç jtubuTação subterrânea, os problemas práticos de construção de superfície de um tubo pressurizado são evitados. ' O peso de tubos pressurizados sozinhos torna impossível construir na

16/24 superfície, por exemplo, ao redor dos contornos de uma face de penhasco. Adicionalmente, construções de superfície podem enfrentar características topográficas que produziríam bolsas de ar dentro da tubulação pressurizada. A presente invenção cria uma linha reta efetiva para o fluxo de água, reduzindo a fricção a um mínimo, e melhorando a eficiência de geração de energia de água extraída a um máximo. Ao reter a tubulação pressurizada no lugar dentro de um túnel perfurado, um peso muito maior de tubo pode ser acomodado do que com tubulação de superfície convencional; isto, por sua vez, permite que pressões mais elevadas sejam criadas na parte inferior do túnel do que seria possível com tubulações de superfície, que têm que serem retidas no lugar de forma segura, apenas para suportar seu próprio peso.

15_ _ _ _5) .Substituição da- Instalação : ~ A presente invenção propositalmente deixa a sala de turbina facilmente acessível, de modo que, com o tempo, a turbina possa ser rapidamente . .substituída. -Isto- é especificamente útil vistõ que tecnologia e a eficiência das turbinas melhoram com o decorrer do tempo.

0 Isto também ajuda a evitar as enormes despesas enfrentadas na substituição de uma turbina no evento improvável de uma falha catastrófica.

6) Biodiversidade: A presente invenção objetiva

usar fontes	de	água tais	como quedas d'água onde	a
25 biodiversidade	não	será afetada.
7)	A	presente	invenção evita quase	que
completamente	contaminações	ambientais superficiais	ou

i visíveis.

8) A construção é projetada para reduzir o risco à 30 vida humana (um problema comum com projetos hidroelétricos convencionais) ao empregar perfuração direcionada, que elimina a necessidade de que seres humanos estejam no subsolo durante a construção. Isto é adicionalmente

17/24 aumentado pela escala de média a pequena dos sistemas da presente invenção.

9) Produção de energia descentralizada - a capacidade de construir sistemas da presente invenção para comunidades pequenas reduzindo sua dependência da energia elétrica de um suprimento de rede central (e freqüentemente não confiável).

Também é provido, de acordo com a presente invenção, um sistema de geração de energia hidroelétrica em um ambiente compreendendo uma fonte de água que flui de uma primeira altura para uma segunda altura, a primeira altura estando pelo menos 10 metros acima da segunda altura, o sistema de geração de energia hidroelétrica compreendendo:

(i) uma caverna de energia subterrânea em um local adjacent_e_ à. .referida, fonte - de - água na - referida^- segunda altura;

(ii) um primeiro túnel da referida caverna de energia subterrânea - para - um local de fonte de água em comunicação de fluxo fluido ou adjacente com a referida fonte de água na referida primeira altura, o referido primeiro túnel tendo um diâmetro inferior a 6 metros;

(iii) tubulação no referido primeiro túnel para definir um primeiro conduto que em operação transporta água do referido local da fonte de água para a referida caverna de energia subterrânea;

(iv) um segundo conduto da referida caverna de energia subterrânea para a referida fonte de água na referida segunda altura ou abaixo dela;

(v) um segundo túnel da referida caverna de energia 30 subterrânea para uma rede de energia;

(vi) pelo menos uma turbina geradora de eletricidade na referida caverna de energia subterrânea em comunicação de fluxo fluido com o referido primeiro túnel e

18/24 referido caminho de fluxo fluido; e (vii) pelo menos um cabo de eletricidade no referido segundo túnel conectando a referida pelo menos uma turbina geradora de eletricidade à referida rede de energia.

Os aspectos preferidos acima do método acima se aplicam igualmente ao sistema de geração de energia hidroelétrica acima.

A presente invenção será adicionalmente aparente a partir da descrição a seguir que mostra com referência à figura em anexo, de forma exemplificativa, apenas uma forma de construção de um sistema . de geração de energia hidroelétrica, e um sistema de geração de energia hidroelétrica feito pela mesma. Das figuras:

A Figura 1 mostra uma vista seccional cruzada esquematiza de _um._ esquema.de- construção geral⁼ para ’üm“ sistema’ de geração de energia hidroelétrica da presente invenção;

A Figura 2 mostra (linha inferior em x=0-400) um gráfico .de distância contra altura^_para Ό' tú.nel'20 e, assim, o ângulo em relação à posição horizontal, que varia de 22 a 35 graus e (linha superior em x=0-400) a elevação de queda d'água 40. O eixo X mostra a distância em metros da caverna de energia subterrânea 10. O eixo X mostra a altura vertical em metro acima de h₂; ......

As Figuras 3-6 mostram as Tabelas 1-11 que listam números e números calculados para várias represas e para o sistema de geração de energia hidroelétrica da presente invenção;

A Figura 7 mostra resultados (Tabela 12) para as várias represas e para o sistema de geração de energia hidroelétrica da presente invenção;

A Figura 8 mostra graficamente os resultados detalhados na tabela de resultados (Figura 7);

A Figura 9 mostra a Tabela 13 que detalha a saída

19/24 de energia em KW por metro cúbico de água para uma variedade de instalações de geração de energia hidroelétrica;

Ά Figura 10 é uma representação gráfica dos dados mostrados na Tabela 13. O eixo Y é energia em KW/m³ de água;

e

A Figura 11 mostra a Tabela 14 que detalha a saída de energia em MW conforme comparado com o valor de financiamento do projeto em milhões de dólares para uma variedade de instalações de geração de energia hidroelétrica

- dados de assets.panda.org/downloads/aidenvdamfinancereport.p df .

Um local para instalação de geração de energia hidroelétrica 100 é determinado de acordo com a altura de quedas d'água, disponíveis ,.e. quedas - de-água -livres- o fluxo ~de água, dureza das rochas, chuvas e demanda por eletricidade. Na presente configuração, uma queda d'água 40 está disponível ccm. uma. queda -vertical - de- aproximadamente' 3 8 0' métrõs. Uma eclusa 5 0 é construída adjacente ao rio 7 0 em uma altura hx.

Na base da queda d'água 40 na altura h₂, o rio 70 continua. A diferença de altura entre h_x e h₂ é de 400 metros.

A caverna de energia 10 é construída adjacente à base da queda d'água -4 0 por - escavação de uma cavidade. Paredes de concreto são inseridas para estabelecer uma caverna (no entanto sem um teto). Em outras configurações, paredes de concreto são inseridas na caverna de energia 10 após toda a perfuração de túneis tiver sido completada.

Uma perfuradora direcionada é, então, abaixada na caverna de energia 10 e perfuração direcionada é executada usando a perfuradora direcional da caverna de energia 10 para definir o túnel 20 para a eclusa 50. Os restos de perfuração são coletados e removidos da caverna de energia 10. O túnel 20 cobre uma distância horizontal de 737 metros em um ângulo

20/24 médio em relação à posição horizontal de aproximadamente 28,5 graus, variando entre 22 e 35 graus, e tendo um comprimento total de aproximadamente 920 metros. A perfuradora direcional é, então, revertida de volta para a caverna de energia 10.

O túnel 2 0 tem um diâmetro de 2 metros e tubulação pressurizada com um diâmetro interno de 1 metro é usada, permitindo uma taxa de fluxo operacional de um metro cúbico por segundo. Em outras configurações, o túnel 2 0. tem um diâmetro de 1,3 metros e tubulação pressurizada com um diâmetro interno de 1 metro e uma espessura de tubo de 0,1 metro é usada.

Uma primeira seção de tubulação pressurizada grau X52 API 5L (PSLI) (Corus Steel, RU) é, então, inserida na parte superior do túnel 20 na eclusa 50 e deslizada até a parte inferiorjiajçayerna, de, energia 10 Seções-adicionais de tubulação de pressão são, então, inseridas da parte superior do túnel 20 na eclusa 50 e deslizadas para corresponder com a seção previamente .inserida de -tubulação de pressão. 'Depois ’dè inseridas, as seções de tubulação pressurizada são soldadas, radiografadas para garantir que estão isentas de defeitos, e luvas são colocadas sobre elas e encolhidas por aquecimento para efetuar a vedação e proteção final, dessa maneira definindo, um primeiro conduto. A tubulação pressurizada tem um diâmetro interno e externo constante. Dessa maneira, a espessura e, assim, a resistência da tubulação pressurizada é apropriada para a pressão operacional que será exercida na mesma.

Tendo um túnel 20 em um ângulo de 23,5 graus, cada seção de tubulação pressurizada que é inserida é suportada

0 primariamente pela rocha/solo embaixo dela e não pela seção de tubulação pressurizada abaixo da mesma. Isto impede que força compressiva excessiva seja exercida nas seções de tubulação pressurizada e ajuda a reduzir os custos de

21/24 construção por meio do uso de fricção para reduzir o peso que necessita ser seguro durante a construção.

A perfuradora direcional é, então, usada para definir um túnel da caverna de energia 2 0 para o rio 7 0 na base da queda d'água 40, e a tubulação é inserida no túnel 3 0 e vedada para definir um segundo conduto 30. Na caverna de energia 10, a extremidade da tubulação pressurizada do túnel 2 0 é conectada à tubulação na caverna de energia por meio de uma válvula para permitir o fechamento do fluxo de água de dentro da caverna de energia 10, e um esgoto é também provido para permitir a coleta de sólidos. Assim, sólidos podem ser removidos do esgoto pelo fechamento da válvula e abertura do esgoto. Após o esgoto ter sido substituído e vedado, a válvula pode ser reaberta. Após a válvula e esgoto, uma instalação _ de turbina. _Pelton _ é _ provida - para- geração- de eletricidade. A água sai da instalação de turbina Pelton e sai da caverna de energia 10 ao longo da tubulação no segundo _ _ túnel. 3 0. para o .rio .70 na base-da-queda-d'água-4 07 ' ' -----Dessa maneira, um caminho de fluxo fluido é definido da eclusa 50 ao longo do primeiro conduto para a instalação da turbina Pelton para o segundo conduto e terminando no rio 70 na base da queda d'água 40.

A perfuradora direcional é, então, usada para definir um túnel 80 da caverna dê energia 10 para uma rede de energia (não mostrada) ao longo da qual cabeamento elétrico é colocado para conectar a instalação da turbina Pelton à rede de·energia.

i Finalmente, equipamento de escavação ê usado para colocar a eclusa 50 em comunicação de fluxo fluido com o rio adjacente 70. Dessa maneira, o rio 70 na altura h_x está em comunicação de fluxo fluido com o rio 7 0 na altura h₂ por meio do primeiro conduto, da instalação de turbina Pelton e do segundo conduto.

22/24

Com uma cabeça de água de 400 metros e um fluxo de 1 metro cúbico de água por segundo passando no primeiro conduto por meio da eclusa 50, a instalação de turbina Pelton gera 2 Megawatts de eletricidade, e o impacto no fluxo de água em relação à queda d'água 40 não é muito grande, com pelo menos 80% do fluxo de água continuando na queda d'água 40. Conforme o fluxo de água ao longo do rio 70 na altura h₂muda com as estações e as chuvas, a eclusa 50 pode ser ajustada remotamente para reduzir ou aumentar o fluxo de água para o primeiro conduto conforme apropriado.

Em uma configuração alternativa (não mostrada) o mesmo arranjo de um primeiro conduto tendo uma cabeça de 400 metros é provido, e dimensionado com um ou dois metros de diâmetro interno permitindo um fluxo de 1,75 metros cúbicos de água por segundo,_ a^ instalação _de_ turbina -Pelton - gerando 3,7 MW de eletricidade.

Cálculos de produtividade de energia pelas configurações. _da. .presente - invenção - são- -feitos^- usando ' a~ equação:

Produção de energia (kW) = 9,8 (aceleração devido à gravidade) x fluxo de água (m³/s) . x cabeça (metros) x eficiência (%)

Os dois exemplos acima são calculados com uma eficiência de sistema de aproximadamente 50%, como são os valores dados na Tabela 13. Entretanto, esta é uma estimativa , altamente conservadora e uma eficiência de até 80-90% pode ser esperada com o uso eficiente da turbina.

Um túnel de acesso é, então, provido para o lado da caverna de energia 10, e um teto de painéis de concreto reforçado é, então, colocado na parte superior da caverna de energia 10, e terra é, então, colocada sobre o teto de modo que plantas podem crescer em cima da caverna e seu impacto ambiental é minimizado.

23/24

Dessa maneira, as únicas partes do sistema de geração de energia hidroelétrica 100 que são visíveis da superfície são a eclusa 50, o túnel de acesso à caverna de energia 10 e (remoto do local da caverna de energia 10) a extremidade do túnel 8 0 onde ele se conecta com a rede de energia.' Dessa maneira, o impacto ambiental (especialmente o impacto visual) do sistema de geração de energia hidroelétrica 100 é minimizado, enquanto provê uma fonte substancial e valiosa de eletricidade.

De modo a facilitar o gerenciamento do sistema de geração de energia hidroelétrica 100, cabeamento ótico de comunicação é colocado ao longo do cabeamento de eletricidade no túnel 80 e é conectado aos sistemas de gerenciamento computadorizado do sistema de geração de energia hidroelétrica 100, de .modo .que. gerenciamento-remoto pode- ser alcançado.

As tabelas e resultados em anexo provêem dados comparativos .da produção- de- energia-e do- impacto ambientai' dá presente invenção em relação com aqueles de sistemas de geração de energia hidroelétrica existentes.

Produção de energia da vida útil na Tabela 1 é calculada como capacidade de energia * 24 * 3 65 * vida útil da instalação em anos (Tabela 8) * tempo na capacidade total (Tabela 7)/1000.

CO₂e a montante estimado (Tabela 2) é calculado como (valor concreto (Tabela 2) * emissão CO₂e (toneladas métricas por milhão de dólares) (Tabela 4) ) + (valor do aço (Tabela 2) * emissão de CO₂e (toneladas métricas por milhão de dólares) (Tabela 4)).

CO₂ direto (Tabela 2) é calculado como (((emissões difusivas médias (Tabela 10) * 100) * área de reservatório (Tabela 2) ) * dias do ano sem gelo no reservatório (Tabela

11) * vida útil da instalação (anos) (Tabela 8) * fração de

24/24 área inundada nos primeiros dez anos (Tabela 11)) / 1000.

CO₂ total (Tabela 2) é calculado como CO₂e a montante estimado (Tabela 2) + CO₂ direto (Tabela 2).

Os valores para a presente invenção são baseados em * 5 um valor de infra-estrutura de concreto e aço de USD 1,5 M, uma capacidade de energia de 2MW, e uma cabeça de 400 metros.

Como pode ser visto da Figura 11, o custo de capital comparado com a produção de energia é altamente favorável quando comparado com uma variedade de instalações de geração de energia hidroelétrica existentes.

Como pode ser visto da Tabela de resultados e dos números dos Resultados em anexo, o sistema de geração de energia hidroelétrica da presente invenção substancialmente supera os sistemas do estado da técnica em termos da produção de C0₂ total por megawatt. hora .de - energia -gerada -durante- a vida útil do sistema. Na verdade, os valores são mais que duas vezes melhores que aqueles da represa com desempenho _ mais_ próximo,, aproximadamente· seis - vezes- melhor- que~ aquêies de uma represa com desempenho médio e quase cem vezes

0 melhores que aqueles da represa com pior desempenho. Deve também ser observado que estes valores são calculados pressupondo que uma represa convencional tem uma vida útil de 90 anos,, enquanto o sistema da presente invenção atingirá apenas uma vida útil de 5 0 anos. Como tal, os valores são extremamente conservadores e obviamente seriam substancialmente melhores se a mesma vida útil fosse atribuídos a ambos os tipos de sistema.

Será observado que não é intenção limitar a presente invenção apenas ao exemplo acima, outras formas sendo prontamente aparentes para alguém com especialização na ...... técnica'sem se afastar do escopo das reivindicações anexas.

1/4

Claims

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1. MÉTODO DE CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA HIDROELÉTRICA EM UM AMBIENTE, que compreende uma fonte de água que flui de uma primeira altura para uma

5 segunda altura, a primeira altura estando pelo menos 10 metros acima da segunda altura, o método compreendendo as etapas de:

(i) construir uma caverna de energia subterrânea (10) em um local adjacente à referida fonte de água na

10 referida segunda altura;

(vi) instalar pelo menos uma turbina geradora de eletricidade na referida caverna de energia subterrânea (10) em comunicação de fluxo fluido com o referido primeiro túnel (20) e referido segundo conduto (30);

15 (viii) quando o referido local de fonte de água não está em comunicação de fluxo fluido com a referida fonte de água na referida primeira altura, colocar o referido local de fonte de água em comunicação de fluxo fluido com a referida fonte de água na referida primeira altura,

20 caracterizado por incluir, entre as etapas (i) e (vi), as seguintes etapas:

(ii) executar perfuração direcional para definir um primeiro túnel (20) da referida caverna de energia subterrânea (10) para um local de fonte de água na referida

25 fonte de água ou adjacente a ela na referida primeira altura, o referido primeiro túnel (20) tendo um diâmetro não superior a 6 metros;

(iii) instalar tubulação no referido primeiro túnel (20) para definir um primeiro conduto que durante o uso

30 transporta água do referido local de fonte de água para a referida caverna de energia subterrânea (10);

Petição 870180031449, de 18/04/2018, pág. 5/11

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2/11

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1,

15 caracterizado pela primeira altura estar a pelo menos 50 metros acima da segunda altura.

2/4 (iv) construir um segundo conduto da referida caverna de energia subterrânea (10) para a referida fonte de água na referida segunda altura ou abaixo dela;

(v) executar perfuração direcional para definir um 5 segundo túnel (30) da referida caverna de energia subterrânea (10) para uma rede de energia;

ainda incluindo, entre as etapas (vi) e (viii), a etapa (vii) de instalar pelo menos um cabo de eletricidade no referido segundo túnel (30) conectando a referida pelo menos

10 uma turbina geradora de eletricidade à referida rede de energia;

sendo que a mencionada caverna subterrânea (10) possui um teto removível.

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3/11

3/4

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela fonte de água na primeira altura ser um rio.

9. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das 5 reivindicações de 1 a 8, caracterizado por adicionalmente compreender a etapa de definir uma eclusa (50) no referido local da fonte de água.

10. SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA HIDROELÉTRICA EM UM AMBIENTE, que compreende uma fonte de água que flui da

10 primeira altura para uma segunda altura, a primeira altura estando pelo menos 10 metros acima da segunda altura, o sistema de geração de energia hidroelétrica (100) compreendendo:

(i) uma caverna de energia subterrânea (10) em um

15 local adjacente à referida fonte de água na referida segunda altura;

(ii) um primeiro túnel (20) da referida caverna de energia subterrânea (10) para um local de fonte de água em comunicação de fluxo fluido ou adjacente com a referida fonte

20 de água na referida primeira altura;

(iii) tubulação no referido primeiro túnel (20) para definir um primeiro conduto que em operação transporta água do referido local da fonte de água para a referida caverna de energia subterrânea (10);

25 (iv) um segundo conduto da referida caverna de energia subterrânea (10) para a referida fonte de água na referida segunda altura ou abaixo dela;

(v) pelo menos uma turbina geradora de eletricidade na referida caverna de energia subterrânea (10) em

30 comunicação de fluxo fluido com o referido primeiro túnel (20) e referido caminho de fluxo fluido; e

Petição 870180031449, de 18/04/2018, pág. 7/11

3 0 7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pela fonte de água na primeira altura ser uma fonte de água fluindo livremente.

Petição 870180031449, de 18/04/2018, pág. 6/11

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pela primeira altura estar a pelo menos 100 metros acima da segunda altura.

20 4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pela primeira altura estar a pelo menos 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550 ou 600 metros acima da segunda altura.

5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das

25 reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo primeiro conduto ter uma capacidade de fluxo de pelo menos 1m³ por segundo.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo primeiro conduto ter uma capacidade máxima de fluxo menor que 2m³ por segundo.

4/11

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4/4 caracterizado pelo referido primeiro túnel (20) do item (ii) ter um diâmetro inferior a 6 metros, e pelo sistema ainda compreender:

- um segundo túnel (30) da referida caverna de 5 energia subterrânea (10) para uma rede de energia; e

- pelo menos um cabo de eletricidade no referido segundo túnel (30) conectando a referida pelo menos uma turbina geradora de eletricidade à referida rede de energia, sendo que a mencionada caverna subterrânea (10) 10 possui um teto removível.

Petição 870180031449, de 18/04/2018, pág. 8/11

5/11

Tabela 3

Apresentação do Custo de HEP tradicional Materiais 25% Trabalho de formação 20% Compra da Instalação 19% Operação da Instalação 19% Colocação & Consolidação de Concreto 4% Pré-resfriamento de concreto 3% Tratamento de concreto 3%

Fonte: Concrete Dam Construction

WWW.dur.ac. uk/~desOwww4/cal/dams/cons/consf3.htm

Tabela 4 Fatores de Emissão de CO2e (toneladas métricas por milhões de dólares gastos) Atividade | CO2e / M$ Manufatura de concreto 163 Usinas de Ferro & Aço 1410

Fonte: EIOLCA WWW.eiolca.net

Tabela 5

Considerações de Instalações Macro e Micro Macro Micro Seleção do local significativo mínimo Avaliação do local significativo mínimo Construção da instalação .significativo -- = - mínimo³ ^! Opera ção da insta Ia çã o Mínimo mínimo Descomissionamento da Instalação Significativo mínimo

Tabela 6 Apresentação do Custo da Presente invenção Tubulação de aço 25% Colocação de Concreto & Consolidação de tubulação 1 %