FEASIBILITY STUDY OF A HYDROPOWER FACILITY IN EASTERN ANGOLA Civil Engineering

208 Pages·2015·7.27 MB·English

by  João Santos Coelho

FEASIBILITY STUDY OF A HYDROPOWER FACILITY IN EASTERN
ANGOLA
João Pedro Marques Santos Coelho
Thesis to obtain the Master of Science Degree in
Civil Engineering
Hydraulics and Water Resources
Supervisor:
Prof. António Bento Franco
Examination Committee
Chairperson: Prof. António Alexandre Trigo Teixeira
Supervisor: Prof. António Bento Franco
Members of the Committee: Prof. António Alberto do Nascimento Pinheiro
December 2015

ABSTRACT
The increasing demand in the energy sector and global energy needs, determined by the growth of the world’s population
and socio economic development, is considered by many experts as an opportunity for the definition and implementation of a
sustainable energy model, which enables energy access to all potential users in a perspective of rational and efficient use of
the available energy resources. Among the renewable energy technologies used worldwide, hydropower plays a major role
being the most used renewable energy source at the moment.
In Angola there is a great abundance of this natural resource and a great potential in the hydropower sector, which is not yet
developed. In the country there is also a great deficit in what concerns the available energy per capita. In this master thesis,
it is presented a feasibility study of a hydropower facility in the Eastern Angola, one of the most deprived areas in terms of
access to energy, within the Angolan territory. The hydropower facility is supposed to supply the city of Saurimo, the capital
of the Lunda Sul province, that has an estimated population of about 200 000 inhabitants.
The present study includes an analysis of the Chiumbe River, in all its extents inside the Angolan boarders, in order to
determine the best possible location to build a hydropower facility. After the selection of the best location, an optimization of
some of the parameters of the facility is made, as well as a pre-study and primarily analysis on floods, hydraulic structures,
equipment’s and construction materials. Also a preliminary estimative of the quantities and works associated with the
construction of the facility is elaborated, as well as an economic analysis, for the best location in the Chiumbe River to
construct a hydropower facility, and also for the more adequate configuration. This economic analysis gives the first idea
whereas the facility will be profitable.
Keywords: Angola, Saurimo, Chiumbe River, hydropower facility, feasibility study.

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RESUMO
As perspectivas futuras para o crescimento da população mundial e o crescimento socioeconómico esperado, determinam,
entre outros aspectos, um aumento das necessidades energéticas a nível global. Este aumento das necessidades no sector
energético é considerado por muitos especialistas como uma oportunidade para definição e implementação de um modelo
energético sustentável. Este modelo permitirá o acesso a energia por todos os potenciais utilizadores usando, de forma
racional e o mais eficiente possível, os recursos energéticos disponíveis. De entre as fontes energéticas utilizadas
actualmente, a hidroelectricidade tem um papel muito significativo, sendo a fonte renovável mais utilizada a nível mundial.
Em Angola existe uma grande abundância deste recurso natural, e consequentemente um grande potencial no sector da
hidroelectricidade que ainda não se encontra aproveitado. Além disso, verifica-se um grande deficit em termos de energia
disponível por habitante. Na presente tese de mestrado, é realizado um estudo de viabilidade de um aproveitamento
hidroeléctrico no Nordeste de Angola, uma das zonas menos desenvolvidas do país ao nível do acesso à energia. O
aproveitamento hidroeléctrico em questão, tem como objectivo abastecer a cidade de Saurimo, capital da província de
Lunda Sul, com uma população estimada de 200 000 habitantes.
O projecto passa por uma análise do rio Chiumbe em toda a sua extensão, dentro do limite das fronteiras Angolanas, com o
objectivo de determinar a melhor localização para a construção de um aproveitamento hidroeléctrico. Uma vez definida a
localização mais adequada, foram também analisados alguns dos parâmetros do aproveitamento, nomeadamente um pré-
estudo relativo às cheias, principais estruturas hidráulicas, equipamentos e materiais de construção. É também definido um
mapa de quantidades e desenvolvida uma análise económica, para aquela que foi considerada a melhor localização para o
aproveitamento, e para a configuração mais adequada. Esta análise económica permite ter uma primeira ideia se o
aproveitamento será rentável.
Palavras-chave: Angola, Saurimo, rio Chiumbe, aproveitamento hidroeléctrico, estudo de viabilidade.

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AGRADECIMENTOS
Esta tese surgiu no âmbito do meu programa Erasmus, realizado em Lausanne mais concretamente na École Polytechnique
Fédéral de Lausanne (EPFL). O presente tema era uma das propostas da Universidade e foi um dos motivos que despertou
interesse em embarcar neste programa. Desde que voltei de Erasmus continuei a desenvolver este projecto, já no IST e
com o apoio do Professor António Bento Franco. O tema em questão consistia num projecto bastante ambicioso que não
teria sido possível desenvolver sem a ajuda e o apoio de várias pessoas a quem gostaria de agradecer nos parágrafos que
se seguem.
Em primeiro lugar gostaria de agradecer a toda a minha família por estarem sempre no meu canto e a torcer pelo meu
sucesso académico, nomeadamente aos meus pais, ao meu irmão e aos meus avós. Um especial obrigado ao meu
“velhote” por toda a dedicação, empenho e tempo investido a rever a minha tese, contribuindo para um resultado final que,
sem qualquer dúvida, apresenta mais qualidade. Ao meu avô Fernando que, apesar de já não estar presente fisicamente,
sei que ficaria orgulhoso ao ver concluída esta jornada.
Quero também agradecer a Andreia pelo apoio incondicional, por ter sido sempre um pilar nas situações difíceis e pela
ajuda na revisão da tese. Um abraço também para o Chico Panda que me ajudou na revisão final do extended abstract. Aos
meus amigos, sempre presentes, um grande obrigado, “estamos juntos”.
Não poderia deixar de agradecer ao meu amigo e orientador, o Professor Doutor António Bento Franco, por toda a sua
disponibilidade e empenho ao longo deste projecto.
Gostava de agradecer também a todas as pessoas que trabalharam comigo na EPFL e que me ajudaram neste projecto,
nomeada ao Professor Pedro Manso e à Irene Samora. Também ao Professor Doutor Anton Schleiss, por me ter orientado
e por me ter proporcionado todas as condições para o desenvolvimento deste projecto, durante a minha estadia em
Lausanne.
Durante os últimos quatro meses tenho estado a estagiar na GIBB Portugal S.A. no departamento de hidráulica e recursos
hídricos. Esta experiencia para além de benéfica e formadora a nível profissional, tem sido também um complemento no
desenvolvimento deste projecto sendo que tive oportunidade de contactar com engenheiros de diversas áreas, com uma
vasta experiência profissional e que inúmeras vezes me ajudaram com alguns problemas que foram surgindo ao longo
deste estudo. Quero agradecer especialmente ao meu amigo e colega Paulo Salvado, que nesta recta final do projecto tem
sido incansável em todo o apoio que me tem dado, nomeadamente no desenvolvimento das peças desenhadas relativas ao
aproveitamento em questão. Um obrigado também ao Arquitecto Rui Pacheco, pelo auxilio e esclarecimento de duvidas
relativas ao REVIT.

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TABLE OF CONTENTS
1 INTRODUCTION .............................................................................................................................................................. 1
2 HYDROPOWER ............................................................................................................................................................... 3
2.1 HYDROPOWER GENERATION ...................................................................................................................................... 3
2.2 CLASSIFICATION OF HYDROPOWER PLANTS ................................................................................................................. 3
2.3 RENEWABLE ENERGIES AND SUSTAINABLE DEVELOPMENT .......................................................................................... 5
2.4 ROLE OF HYDROPOWER IN RENEWABLE ENERGY SOURCES ........................................................................................ 7
3 CONTEXT IN ANGOLA ................................................................................................................................................. 11
3.1 GEOGRAPHY AND MAJOR RIVER BASINS ................................................................................................................... 11
3.2 CLIMATE ................................................................................................................................................................. 12
3.3 CIVIL WAR .............................................................................................................................................................. 14
3.4 ANGOLA’S ECONOMY AND CURRENT SITUATION ........................................................................................................ 15
3.5 DESCRIPTION OF THE CURRENT ANGOLAN ENERGY MATRIX AND OBJECTIVES FOR THE FOLLOWING YEARS ................. 17
3.6 HYDROELECTRIC POTENTIAL OF ANGOLA .................................................................................................................. 19
3.7 ANGOLA’S ELECTRIC SYSTEM, ANALYSIS OF THE CURRENT INSTALLED CAPACITY AND MAJOR PROJECTS IN ANGOLA ... 19
3.8 CASE STUDY AND BASE DATA .................................................................................................................................. 23
4 METHODOLOGY ........................................................................................................................................................... 25
4.1 INTRODUCTION ........................................................................................................................................................ 25
4.2 STAGE 1: SCREENING OF POSSIBLE ALTERNATIVES................................................................................................... 25
4.3 STAGE 2: FEASIBILITY STUDY OF THE SELECTED OPTION .......................................................................................... 26
4.4 STAGE 3: ECONOMIC ANALYSIS ................................................................................................................................ 27
5 CASE STUDY AND RESULTS ...................................................................................................................................... 29
5.1 STAGE 1: SCREENING OF POSSIBLE ALTERNATIVES................................................................................................... 29
5.1.1 Zoom in to the Location ................................................................................................................................... 29
5.1.2 Parameters for Site Location ........................................................................................................................... 29
5.1.3 Topography Analysis ....................................................................................................................................... 30
5.1.3.1 Definition of the Basin ............................................................................................................................. 30
5.1.3.2 Characterization of the Basin ................................................................................................................. 31
5.1.4 Definition of Alternatives .................................................................................................................................. 35
5.1.5 Characterization of Alternatives ....................................................................................................................... 37
5.1.6 Available Water Resources for Energy Production ......................................................................................... 39
5.1.6.1 Analysis of the Precipitation Data ........................................................................................................... 39
5.1.6.2 Runoff Data ............................................................................................................................................ 41
5.1.6.3 Calculation of the Flow Duration Curves ................................................................................................ 44
5.1.7 Reservoir Volumes .......................................................................................................................................... 46
5.1.8 Cost Estimation ............................................................................................................................................... 51
5.1.9 Comparison of Alternatives ............................................................................................................................. 54
5.2 STAGE 2: FEASIBILITY STUDY OF THE SELECTED OPTION .......................................................................................... 60
5.2.1 Reservoir Analysis ........................................................................................................................................... 60
5.2.1.1 Base Data and Definition of the Model ................................................................................................... 60
5.2.1.2 Conclusions of the Reservoir Analysis ................................................................................................... 76
5.2.2 Construction Materials and Possible Dam Types ............................................................................................ 78
5.2.3 Flood Analysis ................................................................................................................................................. 82
5.2.4 Hydraulic Structures ........................................................................................................................................ 88
5.2.4.1 Preliminary Study of the Hydraulic Structures ........................................................................................ 88
5.2.4.2 Pre Dimensioning of the Spillway ........................................................................................................... 90
5.2.4.3 Considerations for the Remaining Hydraulic Structures ......................................................................... 92
5.2.5 Pre Dimensioning of the Turbines ................................................................................................................... 93
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5.2.6 Pre Study Drawings and Preliminary Bill of Quantities .................................................................................... 97
5.3 STAGE 3: ECONOMIC ANALYSIS .............................................................................................................................. 100
6 CONCLUSIONS ........................................................................................................................................................... 105
7 FUTURE WORK ........................................................................................................................................................... 107
8 REFERENCES ............................................................................................................................................................. 109
APPENDICES I ...................................................................................................................................................................... 111
APPENDICES I – FIGURES AND TABLES .................................................................................................................................. 111
APPENDICES II – DRAWINGS ................................................................................................................................................. 184

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