THE 9th LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE 2013
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Eficiência Energética e Controle de Pressão Utilizando Bombas Funcionando como Turbina em Redes de Distribuição de Água Gustavo Meirelles Lima, Augusto Nelson Carvalho Viana e Renato Swerts Carneiro Dias
Resumo – A importância do uso sustentável da energia aumenta em todo o mundo, seja por seu valor econômico ou ambiental. Em sistemas de abastecimento de água os grandes consumidores de energia são as estações de bombeamento. É por isso que elas são as unidades do sistema onde existe um maior interesse em realizar estudos de eficiência energética. No entanto, muitos sistemas são beneficiados com sua topografia privilegiada, realizando a adução e distribuição de água por gravidade, evitando os custos de energia em estações de bombeamento. Por outro lado, toda a energia disponível é dissipada, seja em válvulas redutoras de pressão ou em reservatórios. Portanto, toda a energia disponível que poderia ser utilizado acaba sendo desperdiçada. Além disso, esses sistemas já possuem os componentes básicos de uma usina hidrelétrica, como a câmara de carga e condutos forçados, simplificando a implantação de uma microcentral. Neste cenário, o uso de bombas funcionando como turbina (BFT) tem se mostrado uma alternativa simples e de baixo custo. Diferentes estudos mostram que as BFTs apresentam um custo de 2 a 3 vezes inferior quando comparadas com as turbinas convencionais (Pelton e Francis). Além disso, as BFTs têm uma manutenção mais simples, além da aquisição de peças de reposição ser mais fácil. No entanto, é necessário compreender o funcionamento do sistema para utilizar esta energia adequadamente, sem interferir no fornecimento de água. Este trabalho apresenta o estudo do potencial existente na rede de distribuição de água da cidade de Cruzeiro - SP, onde uma BFT deverá ser instalada tanto para geração de energia quanto para controle da pressão. Além disso, foram realizados testes em laboratório para avaliar o desempenho da BFT nas condições de operação da rede de distribuição e também para comparar com os resultados teóricos. Palavras-chave – energia renovável, eficiência energética, microgeração, bombas funcionando como turbina.
I. INTRODUÇÃO
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microgeração é feita por meio das chamadas energias renováveis e é de responsabilidade de operadores independentes ou de consumidores finais. As fontes de energias renováveis são consideradas fontes de energia Este trabalho foi feito em parceria com a Eletrobrás/Procel G. M. Lima,
[email protected] A. N. C. Viana,
[email protected] R. S. C. D. Júnior,
[email protected] 1 S.O. ESCO, Minas Gerais, Brasil 2 Universidade Federal de Itajubá, Minas Gerais, Brasil
inesgotáveis ou cujo potencial energético pode ser renovado. Nesse tipo de geração o consumidor desenvolve também o papel de produtor sendo a produção efetuada no local de consumo, evitando perdas de energia durante o transporte e aumentando a confiabilidade no fornecimento de energia [1][3]. A microgeração pode trazer benefícios às indústrias no que tange a redução de despesas com energia, principalmente quando a fonte de energia estiver sendo perdida no processo. Em sistemas de abastecimento de água esta perda é resultante da redução de pressão nas tubulações. Isto ocorre quando são utilizadas válvulas redutoras de pressão (VRP’s), para proteção da rede, e também em locais onde a captação é feita por gravidade, no momento em que a água chega ao tratamento. O custo dos equipamentos de geração, representados pelo conjunto turbina e gerador é uma desvantagem da microgeração que pode inviabilizar o projeto, chegando a representar até 40 % do custo total [4]. Uma forma de minimizar os gastos iniciais da microgeração seria a utilização de equipamentos de série, que possuem um custo reduzido. Esses equipamentos podem ser, por exemplo, uma bomba funcionando como turbina (BFT) e um motor de indução como gerador (MIG), que chegam a ter um custo de 2 a 3 vezes inferior quando comparados com turbinas convencionais [5]. Além disso, para a faixa de potência das microcentrais, as BFTs apresentam bom rendimento quando selecionadas corretamente [6]. No Brasil a microgeração ainda está em desenvolvimento. Em abril de 2012 a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), através da resolução 482/12, estabeleceu as condições gerais de acesso de micro e minigeradores aos sistemas de distribuição de energia elétrica. A resolução também apresenta o sistema de compensação a ser utilizado, que será o net-metering [7]. Devido aos prazos estabelecidos para aprovação da concessionária, as primeiras micro e minicentrais ainda estão começando a entrar em operação. Outra oportunidade que surge é a possibilidade de incorporar a microgeração no Programa de Eficiência Energética da Aneel, já que este tipo de ação reduzirá, além do consumo de energia e a demanda no horário de ponta, as perdas na transmissão e distribuição da energia, já que a geração ocorre próxima à carga [8]. Neste trabalho será apresentado um estudo de caso realizado no sistema de abastecimento de água da cidade de Cruzeiro – SP, onde foi avaliada a viabilidade da utilização de uma BFT para controle
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de pressão na rede e geração de energia. Além disso, foram feitos ensaios em laboratório para verificar as características da BFT nestas condições de operação e comparar com os valores teóricos.
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vazamento possui a mesma proporção em todos os pontos da rede.
II. DESCRIÇÃO DO LOCAL O sistema de abastecimento de água da cidade de Cruzeiro SP possui três sistemas de captação e tratamento de água em diferentes locais. O sistema de interesse é o da ETA Avelino Júnior, responsável pelo abastecimento de cerca de 60 % da população. Neste sistema a captação é feita no rio Batedor, que alimenta uma primeira ETA, utilizada apenas para decantação da água em situações onde há grande concentração de sedimentos, principalmente no período chuvoso. Desta ETA saem duas adutoras, uma de 10’’ e outra de 12’’, que abastecem a ETA Avelino Júnior por gravidade, onde a água bruta passa pelo processo de filtração e desinfecção. A água tratada é então armazenada em um reservatório, de onde saem 4 adutoras, responsáveis por alimentar alguns bairros próximos e outro reservatório, conhecido como a caixa d’água da cidade, de onde é feito o abastecimento por gravidade, além de fornecer água à estação elevatória de Itagaçaba, que por sua vez alimenta o reservatório Bela Vista. A Fig. 1 apresenta um esquema deste sistema, indicando o local onde será feito o estudo para a implantação de uma microcentral na rede de distribuição para geração de energia e controle de pressão.
Fig. 2. Instalação do medidor de vazão ultrassônico na saída do reservatório
B. Pressão A medida de pressão precisa ser feita em diferentes pontos da rede, para que seja possível realizar sua calibração, e posteriormente, determinar as zonas de pressão através do software EPANET 2.0 [9], definindo assim o melhor local para a instalação da BFT. Assim como para a medida de vazão a aquisição durou 24 horas, também com taxa de aquisição de 1 minuto. A Fig. 3 mostra os pontos de medidas de pressão, feitas no cavalete das residências, além da medida do nível do reservatório de distribuição. A diferença entre a cota onde foi feita a coleta dos dados e a rede de distribuição foi considerada para realizar a calibração e simulação da rede.
Fig. 1. Esquema do sistema de abastecimento de água da ETA Avelino Júnior
III. LEVANTAMENTO DE DADOS A. Vazão A medida de vazão foi realizada através de um medidor de vazão ultrassônico (Fig. 2). A utilização deste equipamento foi feita devido à sua facilidade de instalação, que é feita externamente. Este medidor é utilizado na medição de líquidos limpos e seu princípio de funcionamento se baseia no tempo de trânsito de pulsos de ultrassom emitidos e recebidos pelos dois sensores acoplados na parede externa da tubulação. Os dados coletados foram armazenados em um datalogger, com taxa de aquisição de 1 minuto, durante 24 horas. A instalação foi feita logo na saída do reservatório de distribuição. A vazão em cada um dos nós da rede foi obtida relacionando a vazão total com sua área de influência, considerando que o
Fig. 3. Local de instalação dos medidores de pressão na rede Vista Alegre
C. Topografia Para que a modelagem da rede seja feita é necessário conhecer a topografia do local para determinar a cota dos nós. Desta forma, foi feito um levantamento topográfico utilizando DGPS para determinar estes valores em alguns pontos da rede. A cota dos nós restantes foi obtida através da interpolação dos valores. A Fig. 4 mostra a rede de distribuição com suas curvas de nível.
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ocorrem as menores pressões. Desta forma, para o período de vazão máxima, de 13,2 m3/h, observou-se que a pressão no nó 26 é de 38,9 m, conforme mostra a Fig. 6. Admitindo que para esta condição de vazão a perda de carga provocada pela BFT irá manter 10 m de pressão neste nó (valor mínimo recomendado [11]), estabeleceu-se que a altura de projeto da BFT será de 28,9 m.
Fig. 4. Levantamento topográfico da rede Vista Alegre
IV. SIMULAÇÃO HIDRÁULICA Com os dados coletados entre os dias 10 e 11 de fevereiro de 2011 e os resultados da calibração da rede obtidos por [10], foi feita a simulação hidráulica da rede Vista Alegre. A Fig. 5 apresenta as zonas de pressão para um período de consumo médio.
Fig. 6. Variação de vazão e pressão no nó crítico da rede Vista Alegre
Utilizando o método de Chapallaz para selecionar a BFT e determinar sua curva de altura em função da vazão turbinada, foi feita uma nova simulação no software EPANET 2.0 [9], onde foi utilizada uma válvula genérica (GPV) para simular a perda de carga provocada pela BFT. As novas zonas de pressão obtidas apresentaram uma grande redução de pressão, como mostra a Fig. 7.
Fig. 5. Zonas de pressão na rede Vista Alegre para um período de consumo médio e localização do trecho para implantação da microcentral
Percebe-se que uma zona ao norte apresenta uma maior pressão com relação às outras áreas. Além disso, esta área está isolada de todo o restante da rede, o que facilita a aplicação de um dispositivo para controle de pressão alta pressão. Assim, identificou-se o trecho 22 (Fig. 5), como sendo o mais adequado para a instalação da BFT.
V. RESULTADOS Observando os resultados da simulação, dentro da zona de influência da BFT, o nó 26 é o mais crítico, ou seja, onde
Fig. 7. Zonas de pressão na rede Vista Alegre para um período de consumo médio com o uso de BFT para controle da pressão
A redução de pressão média na rede foi de 38,5 %, enquanto que a energia gerada no período foi de 5,95 kWh. Esta redução de pressão pode ser observada na Fig. 8, onde é feita a comparação do nó crítico da rede. Entretanto, nos períodos de maior pressão a queda não foi tão acentuada. Isto se deve ao fato da vazão ser muito baixa, e, portanto, a BFT
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não insere uma perda de carga suficiente para manter uma pressão adequada. O mesmo pode ser observado com a potência elétrica gerada, já que a potência hidráulica é maior com o aumento da vazão.
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feito à jusante da BFT, ou seja, nas residências do local, foram feitos testes em laboratório para verificar se há diferenças de rendimento e altura. Além disso, também foram comparados os resultados dos ensaios com os resultados teóricos propostos por [4]. A bancada utilizada para os ensaios consiste em utilizar uma bomba de maior potência, juntamente com um conversor de frequência, para simular a queda da BFT. Resistências são utilizadas para dissipar a energia gerada. Desta forma controlase a rotação da BFT, colocando-se mais ou menos carga. Medidores de vazão, potência elétrica e pressão são utilizados para determinar as curvas características da BFT. A Fig. 10 apresenta um esquema da bancada utilizada.
Fig. 8. Comparação da pressão no nó crítico da rede com o uso da BFT
Para otimizar a geração e também o controle de pressão, [12] sugere o uso de múltiplas BFTs em paralelo. Desta forma, optou-se por utilizar dois conjuntos para dois períodos de consumo definidos: o primeiro, compreende o horário de maior demanda, entre as 7 e 22h, que terá os mesmos dados de projeto do caso com apenas uma BFT, enquanto que o segundo compreende o horário de menor consumo, entre as 23 e 6 h, onde a pressão é mais elevada. Neste caso a vazão de projeto será de 8,24 m³/h enquanto que a altura será de 45,9 m. Assim, uma nova simulação foi realizada, obtendo-se uma redução de pressão de 47,3 % e 6,96 kWh de energia gerada. A Fig. 9 mostra a comparação da pressão no nó crítico em todos os casos estudados.
Fig. 10. Esquema da bancada utilizada nos ensaios da BFT
Com os resultados obtidos foram levantadas as curvas de altura x vazão e de rendimento x vazão para as diferentes condições de operação. A comparação das curvas obtidas (Figs. 11 e 12) mostra que há uma diferença significativa da curva de rendimento entre os dois modelos, sendo que a BFT com controle de vazão à jusante sempre opera com um rendimento menor. Isto pode ser explicado pela ausência do tubo de sucção, que permite que o escoamento atinja o nível de jusante de maneira uniforme, além de recuperar parte da energia cinética do fluido que passa pelo rotor. Apesar da queda de rendimento, as duas curvas de altura obtidas se mantiveram próximas, indicando a viabilidade técnica ao se utilizar uma BFT para controle de pressão na rede.
Fig. 9. Comparação da pressão no nó crítico da rede para os diferentes casos
VI. ENSAIOS LABORATORIAIS Com o objetivo de comparar o comportamento de uma BFT em suas condições de operação ideais, com tubo de sucção, com a operação que será observada na rede de distribuição, onde não haverá tubo de sucção e o controle de vazão será
Fig. 11. Comparação da curva de altura para as diferentes condições de operação da BFT
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VII. CONCLUSÕES
Fig. 12. Comparação da curva de rendimento para as diferentes condições de operação da BFT
Além desta comparação, também foi avaliada a diferença entre as curvas de altura e rendimento teóricos, obtidas de acordo com o procedimento proposto por [4]. As Figs. 13 e 14 mostram estas comparações. Para a curva de altura, o erro é de cerca de 20 % para baixas vazões. A partir de 70 % da vazão nominal o erro passa a ser de cerca de 5 %. O mesmo ocorre com a curva de rendimento, que tem a diferença reduzida ao se aproximar da vazão nominal.
O trabalho mostrou o potencial de energia existente em redes de distribuição de água com excesso de pressão, e a viabilidade de se utilizar BFTs em substituição às VRPs convencionais. Segundo dados do Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento [13], o Brasil possui aproximadamente 660 prestadores de serviços de água, sendo que diversos deles podem se beneficiar desta tecnologia, principalmente quando considerada a resolução 482 da Aneel. Para que estes aproveitamentos possam ser viáveis técnica e economicamente é necessário estudar o comportamento de cada sistema, pois sua operação é única, e dificilmente será igual à de outro sistema. No caso estudado, foi observada a necessidade de se utilizar BFT’s específicas para diferentes períodos do dia, melhorando o controle de pressão na rede. Entretanto, os testes realizados em laboratório mostraram que há uma queda no rendimento quando a BFT opera com controle de vazão à jusante. Além disso, os métodos propostos para determinar o comportamento da BFT fora de seu ponto de máxima eficiência mostraram diferenças quando comparados com os resultados obtidos em laboratório. Isto pode acarretar em erros no projeto da microcentral, que podem definir sua viabilidade. Portanto, sempre que possível, recomenda-se que seja feito o ensaio na BFT para obter suas reais condições de operação, e assim, garantir o sucesso do projeto.
VIII. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Eletrobrás/Procel e ao SAAE Cruzeiro pelo apoio para a realização dos estudos.
IX. REFERÊNCIAS J. Turkson e N. Wohlgemuth, “Power Sector Reform and Distributed Generation in Sub-Saharan Africa”, Energy Policy, no 26, pp. 135-145, 2001. [2] M. V. X Dias, E. C. Bortoni e J. Haddad, “Geração Distribuída no Brasil: Oportunidades e Barreiras”, Revista Brasileira de Energia, vol. 11, no 2, 2005. [3] INEE – Instituto Nacional de Eficiência Energética, “O que é Geração Distribuída?” Disponível em: http://www.inee.org.br, 2012. [4] J. M. Chapallaz, P. Eichenberger e G. Fischer, Manual on Pumps Used as Turbines, vol. 11, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Alemanha, 1992. [5] A. N. C. Viana, A. J. J. Rezek e D. M. Medeiros, “A Utilização de Geradores de Indução Acionados por BFTs na Geração de Energia Elétrica”, anais do Congresso Internacional Sobre Geração Distribuída e Energia no Meio Rural, 2004. [6] M. Ricardo, “Estudo de Grupos Moto-Bomba Operando como Grupos Geradores em Microcentrais Hidrelétricas”, 240 p. Dissertação (Pós Graduação em Engenharia da Energia), Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2007. [7] ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. “Procedimentos do Programa de Eficiência Energética - PROPEE”, Brasília, Brasil, 2012. [8] ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. “Resolução Normativa nº 482/2012”, Diretoria Geral, Brasília, Brasil, 2012. [9] L. A. Rossman, “EPANET 2.0 User's Manual”. Drinking Water Research Division, Risk Reduction Engineering Laboratory, U.S. Environmental Protection Agency, 2000. [10] A. N. C. Viana et al. “Conservação Hidroenergética”. Projeto de Pesquisa, Eletrobrás, 2011. [1]
Fig. 13. Comparação da curva de altura do ensaio com a curva teórica
Fig. 14. Comparação da curva de rendimento do ensaio com a curva teórica
THE 9th LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE 2013 [11] ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas, “NBR 12218 Projeto de Rede de Distribuição de Água para Abastecimento Público”, 1994. [12] A. R. Budris, “Multiple "Pump As Turbine" Installations Keep Efficiency High Over Wide Flow Range”, Water World, 2011. [13] SNIS - Sistema Nacional de Informações Sobre Saneamento. “Diagnóstico dos Serviços de Água e Esgoto”. Brasília, DF, 2010.
X. BIOGRAFIA Gustavo Meirelles Lima nasceu em São José dos Campos - SP/Brasil, em 8 de outubro de 1987. Graduou-se em Engenharia Hídrica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), onde também obteve o título de Mestre em Engenharia da Energia. Atualmente é pesquisador do Grupo de Energia (GEN) da UNIFEI e engenheiro na S.O. ESCO, tendo como principais linhas de atuação: recursos hídricos, hidrometria, geração de energia, sistemas hidráulicos, uso racional de água e energia elétrica. Augusto Nelson Carvalho Viana nasceu em Itajubá/MG/Brasil, em 26 de março de 1954. Graduou-se em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), onde também obteve o título de Mestre em Engenharia da Mecânica. É doutor em Engenharia Civil/Hidráulica pela Escola Politécnica (USP) e pós-doutor em Ciências da Engenharia Ambiental pela USP (São Carlos). É professor associado da Universidade Federal de Itajubá, coordenador do Grupo de Energia (GEN), do Laboratório de Etiquetagem de Bombas (LEB) e do Laboratório Móvel de Hidráulica (LM), tendo como principais linhas de atuação: máquinas hidráulicas, centrais hidrelétricas, sistemas hidráulicos, uso racional de água e energia elétrica, eficiência hidroenergética e hidrometria. Renato Swerts Carneiro Dias Júnior nasceu em Machado/MG, em 10 de novembro de 1982. Graduou-se em Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), onde atualmente participa do programa de Mestrado em Engenharia Elétrica. Tem como linhas de pesquisa e áreas de interesse: Eficiência Hidroenergética e Geração de Energia. Atua em projetos de eficiência energética (sistemas de bombeamento, iluminação, refrigeração, aquecimento), ensaios de rendimento em usinas hidrelétricas e microgeração de energia. Atualmente participa da equipe do Centro de Excelência em Eficiência Energética (EXCEN) e Grupo de Energia (GEN), na UNIFEI, e é engenheiro na S.O. ESCO.
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