Sistema de dessalinização por osmose reversa acionado por gerador fotovoltaico com conversor de freqüência

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO DEPARTAMENTO DE ENERGIA NUCLEAR PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES. SISTEMA DE DESSALINIZAÇÃO POR OSMOSE REVERSA ACIONADO POR GERADOR FOTOVOLTAICO COM CONVERSOR DE FREQÜÊNCIA. GILMÁRIO DOS ANJOS LIMA. RECIFE – PERNAMBUCO - BRASIL MAIO - 2006.

(2) ii. GILMÁRIO DOS ANJOS LIMA. SISTEMA DE DESSALINIZAÇÃO POR OSMOSE REVERSA ACIONADO POR GERADOR FOTOVOLTAICO COM CONVERSOR DE FREQÜÊNCIA. Dissertação submetida ao programa de pósgraduação em Tecnologias Energéticas e Nucleares - PROTEN do Departamento de Energia Nuclear da Universidade Federal de Pernambuco, para obtenção do título de Mestre em Ciências. Área de concentração: Fontes renováveis de energia.. ORIENTADOR: PROF. DR. NAUM FRAIDENRAICH CO-ORIENTADORA: PROF. DRA. OLGA DE CASTRO VILELA. RECIFE – PERNAMBUCO – BRASIL MAIO – 2006.

(3) iii.

(4) L732s. Lima, Gilmário dos Anjos Sistema de dessalinização por osmose reversa acionado por gerador fotovoltaico com conversor de freqüência / Gilmário dos Anjos Lima. - Recife: O Autor, 2006. xxi, 142 f., il., figs., gráfs., tabs. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Dpto. de Energia Nuclear. Programa de PósGraduação em Tecnologias Energéticas e Nucleares, 2006. Inclui referências bibliográficas e apêndice. 1. Energia Nuclear. 2. Dessalinização. 3. Osmose reversa. 4. Membranas filtrantes. 5. Energia solar. 6. Painel fotovoltaico. I. Título. 621.31244 CDD (22. ed.). BCTG/2006-73.

(5) iv. A minha mãe Maria Martins e meus filhos: Pedro Martins e Nina Martins. dedico..

(6) v. AGRADECIMENTOS Ao Professor Naum Fraidenraich e a Professora Olga Vilela por todas as contribuições, dedicação e estímulo às pesquisas. Ao CNPq pelo incentivo concedido através da bolsa e ao Departamento de Energia Nuclear e ao Professor Carlos Brayner, pela oportunidade concedida. A Professora Elielza Barbosa pela segurança empenhada. Ao Professores Mauricio Motta, Pedro Rosas e Chigueru Tiba pelas convenientes ajudas. A minha Arleidinha, pelo conforto nas adversidades e, sobretudo, compreensão com que contornou os obstáculos. Aos Amigos Rinaldo, Marcelo, Eric, Aguiar e Alexandre pela contribuição técnica para a realização desta dissertação. A Jane do administrativo do grupo FAE, a Eliete, Juarez, Norma, Edvaldo e Sr. Antônio. Aos meus colegas e amigos de sala de aula pelo apoio: Adalberto, Bione, Carlos Antônio, Flávio, Bráulio, Milton, Silvia, Tito e Sérgio Leal. Ao Departamento de Assuntos Estudantis – UFPE e a Casa do Estudante Universitário – UFPE pela ajuda durante toda a graduação e início do Mestrado. A todos os meus amigos de infância que nunca hesitaram em ajudar,. agradeço..

(7) vi. SUMÁRIO Página LISTA DE FIGURAS....................................................................................................... x. LISTA DE TABELAS....................................................................................................... xiv. LISTA DE ABREVIATURAS ......................................................................................... xv. LISTA DE SÍMBOLOS.................................................................................................... xvi. RESUMO.......................................................................................................................... xviii. ABSTRACT...................................................................................................................... xx. 1 INTRODUÇÃO............................................................................................................. 1. 1.1 Objetivos................................................................................................................. 4. 1.1.1 Objetivos gerais............................................................................................ 4. 1.1.2 Objetivos específicos.................................................................................... 4. 1.2 Revisão de literatura............................................................................................... 5. 1.3 Descrição da dissertação......................................................................................... 16. 2 DESSALINIZAÇÃO POR OR ACIONADA POR ENERGIA SOLAR a. FOTOVOLTAICA........................................................................................................ 19. 2.1 Dessalinização da água por osmose reversa........................................................... 19. 2.1.1 Sistemas de dessalinização........................................................................... 19. 2.1.2 Princípio da osmose reversa......................................................................... 22. 2.1.3 Consumo específico elétrico......................................................................... 25. 2.2 Membranas filtrantes............................................................................................. 30. 2.2.1 Fundamentos da tecnologia de membranas.................................................. 31.

(8) vii. 2.2.2 Operação de um sistema de membranas....................................................... 35. 2.2.3 Fatores determinantes do fluxo de água através das membranas................. 36. 2.2.4 Limpeza das membranas.............................................................................. 40. 2.3 Energia solar fotovoltaica...................................................................................... 42. 2.3.1 Fontes de energia.......................................................................................... 42. 2.3.2 Antecedentes históricos da tecnologia fotovoltaica...................................... 43. 2.3.3 Radiação solar............................................................................................... 44. 2.3.4 Instrumentos de medição solarimétricos...................................................... 46. 2.3.5 Efeito fotovoltaico........................................................................................ 46. 2.3.6 Curva característica I-V na junção PN......................................................... 49. 2.3.7 Modelo elétrico de uma fotocélula............................................................... 50. 2.3.8 Parâmetros que influenciam a curva característica das células FV.............. 53. 3 PROJETO E DESCRIÇÃO DO SISTEMA EXPERIMENTAL.................................. 56. 3.1 Configuração de sistemas OR-FV sem baterias.................................................... 56. 3.2 Metodologia do projeto......................................................................................... 57. 3.2.1 Característica da radiação solar................................................................... 60. 3.3 Características da unidade de dessalinização por osmose reversa........................ 61. 3.3.1 Características operacionais e formas de funcionamento............................ 62. 3.3.2 Instalação da unidade de OR....................................................................... 65. 3.4 Sistema de medição e aquisição de dados............................................................ 67. 3.4.1 Sistema de aquisição de dados...................................................................... 68. 3.4.2 Sensor de condutividade............................................................................... 69. 3.4.3 Sensor de pressão.......................................................................................... 72.

(9) viii. 3.4.4 Sensor de vazão............................................................................................ 73. 3.4.5 Piranômetro.................................................................................................. 74. 3.4.6 Transdutor de potência................................................................................. 74. 3.4.7 Sensor de temperatura ambiente................................................................... 75. 4 METODOLOGIA.......................................................................................................... 76. 4.1 Ensaios do sistema OR conectado á rede elétrica convencional........................... 76. 4.1.1 Configuração A............................................................................................. 77. 4.1.2 Configuração B............................................................................................. 79. 4.2 Ensaios do sistema OR conectado ao gerador fotovoltaico (Configuração C)...... 81. 4.2.1 Determinação do arranjo FV adequado ao sistema OR................................ 81. 4.2.2 Montagem e ensaio do sistema OR-FV........................................................ 83. 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO.................................................. 85. 5.1 Configuração A...................................................................................................... 85. 5.2 Configuração B...................................................................................................... 94. 5.3 Configuração C...................................................................................................... 104. 5.3.1 Sistema operando com Ca = 2.000 mg.L-1.................................................... 105. 5.3.2 Sistema operando com Ca = 5.000 mg.L-1.................................................... 111. 5.4 Estudo de correlações das variáveis experimentais da unidade OR-FV............... 118. 5.5 Previsão do comportamento da unidade OR-FV................................................... 123. 5.6 Análise econômica................................................................................................. 128. 5.6.1 Custo do capital de aquisição e da manutenção........................................... 128. 5.6.2 Custo da água potável................................................................................... 129. 5.6.3 Comparativo do custo de água potável......................................................... 131.

(10) ix. 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS........................................................................................ 132. 6.1 Conclusões............................................................................................................. 132. 6.2 Sugestões para trabalhos futuros........................................................................... 134. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS.............................................................................. 136. APÊNDICE A – Análise físico-química e microbiológica da água do poço.................... 139.

(11) x. LISTA DE FIGURAS Figura. Página. 2.1 Consumo de energia (em quilos de óleo de combustível por metro cúbico de água purificada) é menor nas instalações de osmose reversa .............................. 20. 2.2 Comparação dos custos da produção de água potável por diversos métodos ..... 21. 2.3 A osmose reversa é o processo mais utilizado nos sistemas de dessalinização de água do mundo................................................................................................. 22. 2.4 Princípio da osmose reversa: (a) duas soluções, uma salina e outra sem sal, separadas por uma membrana semipermeável; (b) equilíbrio hidrostático em um vaso comunicante com dois compartimentos separados por uma membrana semipermeável, que retém íons, as deixa passar água; (c) reversão da pressão osmótica por aplicação de pressão...................................................... 23. 2.5 Dessalinizador ideal de osmose reversa............................................................... 28. 2.6 Consumo específico hidráulico............................................................................ 29. 2.7 Esquema básico de funcionamento de uma membrana ...................................... 32. 2.8 Módulo espiral: (a) seção transversal através de um módulo completo; (b) elemento de membranas....................................................................................... 34. 2.9 Processo básico de filtração de um sistema pressurizado, sem sistema de limpeza ou remoção de material retido na superfície das membranas.............. 35. 2.10 Evolução do custo de painéis solares fotovoltaicos no mercado internacional e projeção do custo para o ano 2002............................................. 44. 2.11 Concentração de portadores, no estado de equilíbrio, numa junção de material do tipo P com tipo N ............................................................................. 48. 2.12 Curva característica da junção PN obtida em situações de junção sem e com iluminação .................................................................................................. 50. 2.13 Modelo elétrico da fotocélula ideal ................................................................... 51. 2.14 Modelo elétrico de uma fotocélula real ............................................................. 52. 2.15 Parâmetros de potência máxima ........................................................................ 53. 2.16 Efeito causado pela variação da intensidade da luz na curva característica I-V para um módulo fotovoltaico........................................................................ 54. 2.17 Efeito causado pela temperatura da célula na curva característica I-V (1.000 W.m-2) em um módulo fotovoltaico de silício cristalino ........................ 55.

(12) xi. 3.1 Configuração Básica de um dessalinizador de água salobra sem o uso de baterias ................................................................................................................ 57. 3.2 Radiação solar global diária e a insolação diária para Recife-PE ....................... 60. 3.3 Layout completo da unidade de OR utilizada...................................................... 64. 3.4 Instalação da bancada de OR ............................................................................... 66. 3.5 Sensores instalados no equipamento de Osmose Reversa ................................... 67. 3.6 Sistema de aquisição de dados ............................................................................ 69. 3.7 Sensor de condutividade TC-44 e a célula de condutividade TX-01 .................. 71. 3.8 Sensor de condutividade DM-31 e a célula de condutividade DMC-010............ 72. 3.9 Sensor de pressão ................................................................................................ 73. 3.10 Sensor de vazão ................................................................................................. 73. 3.11 Piranômetro modelo Li-cor................................................................................ 74. 4.1 Posição da válvula VA........................................................................................ 80. 4.2 Curva I-V do gerador FV para o arranjo com 16 módulos em série ................... 82. 4.3 Curva I-V e P-V do arranjo com 16 módulos ..................................................... 83. 5.1 Valores da vazão da água de alimentação ........................................................... 86. 5.2 Valores da vazão de água do permeado .............................................................. 87. 5.3 Valores do fator de recuperação .......................................................................... 88. 5.4 Fator de recuperação em função da vazão do permeado..................................... 89. 5.5 Valores de concentração de sais no permeado .................................................... 90. 5.6 Valores de concentração de sais no concentrado ................................................ 90. 5.7 Valores de potência elétrica para vários níveis de salinidade ............................. 91. 5.8 Valores de potência elétrica para vários níveis de salinidade ............................. 92. 5.9 Valores de consumo específico de energia elétrica ............................................ 92. 5.10 Valores de consumo específico em função do fator de recuperação.................. 93. 5.11 Valores do rendimento da motobomba ............................................................. 94. 5.12 Posições de VA. Comportamento da vazão de alimentação e freqüência em função da pressão nas membranas. Ca = 4.200 mg.L-1 ...................................... 95. 5.13 Vazão do permeado versus vazão de alimentação. Ca = 4.200 mg.L-1 .............. 95. 5.14 Valores do fator de recuperação para as posições de VA ................................. 96. 5.15 Consumo específico de energia em função do fator de recuperação ................. 96.

(13) xii. 5.16 Valores da vazão de alimentação ...................................................................... 98. 5.17 Vazão do permeado em função da vazão de alimentação ................................. 98. 5.18 Vazão do permeado em função da potência elétrica ......................................... 99. 5.19 Relação entre freqüência e pressão ................................................................... 100. 5.20 Valores de concentração do permeado .............................................................. 101. 5.21 Valores do fator de recuperação ........................................................................ 101. 5.22 Valores do consumo específico do sistema de OR ........................................... 102 5.23 Curva de carga do dessalinizador para cada posição da válvula VA ................ 103. 5.24 Comportamento para salinidade de 2.000 mg.L-1 (n = 308) ............................. 106 5.25 Comportamento para salinidade de 2.000 mg.L-1 (n = 321) ............................. 106 5.26 Consumo específico – 2.000 mg.L-1 (n=308) ................................................... 107 5.27 Consumo específico – 2.000 mg.L-1 (n=321) ................................................... 107 5.28 Pressão; Concentração e vazão do permeado - 2.000 mg.L-1 (n=308) ............. 108 5.29 Pressão; Concentração e vazão do permeado - 2.000 mg.L-1 (n=321) ............. 109 5.30 Fator de recuperação - 2.000 mg.L-1 (n=308) ................................................... 109 5.31 Fator de recuperação - 2.000 mg.L-1 (n=321) ................................................... 110 5.32 Comportamento para salinidade de 5.000 mg.L-1 (n = 301) ............................. 112 5.33 Comportamento para salinidade de 5.000 mg.L-1 (n = 315) ............................. 113 5.34 Consumo específico – 5.000 mg.L-1 (n=301) ................................................... 114 5.35 Consumo específico – 5.000 mg.L-1 (n=315) ................................................... 114 5.36 Pressão; Concentração e vazão do permeado – 5.000 mg.L-1 (n=301) ............ -1. 115. 5.37 Pressão; Concentração e vazão do permeado – 5.000 mg.L (n=315) ............. 115. -1. 5.38 Fator de recuperação – 5.000 mg.L (n=301) ................................................... 116. 5.39 Fator de recuperação – 5.000 mg.L-1 (n=315) ................................................... 116. 5.40 Valores de vazão de entrada para Ca = 2.000 mg.L-1 ........................................ 119. 5.41 Valores da vazão de entrada para Ca = 5.000 mg.L-1......................................... 119. 5.42 Valores da vazão do permeado para Ca = 2.000 mg.L-1 .................................... 120. -1. 5.43 Valores da vazão do permeado para Ca = 5.000 mg.L .................................... 120. 5.44 Valores do fator de recuperação para Ca = 2.000 mg.L-1 .................................. 121. 5.45 Valores do fator de recuperação para Ca = 5.000 mg.L-1 .................................. 122. 5.46 Valores de consumo específico de energia para Ca = 2.000 mg.L-1 .................. 122.

(14) xiii. 5.47 Valores de consumo específico de energia para Ca = 5.000 mg.L-1 .................. 123. 5.48 Vazão de entrada versus Freqüência do CF – Posição PSc .............................. 124 5.49 Comportamento das Configurações B e C para 5000 mg.L-1 ........................... 125 5.50 Vazão de alimentação versus radiação solar – n = 315. (5.000 mg.L-1) ........... 126 5.51 Freqüência versus radiação solar ...................................................................... 127 5.52 Valores calculados na Configuração B e experimentais na Configuração C para Ca = 5.000 mg.L-1 ....................................................................................... 127. 5.53 Vazão de permeado e de alimentação - Ca = 5.000 mg.L-1 (n=315) ................. 128.

(15) xiv. LISTA DE TABELAS Tabela. Página. 2.1 – Valores de pressão osmótica para vários níveis de salinidade .......................... 24. 2.2 – Valores da consumo específico para vários níveis de salinidade e FR=0,5....... 29. 2.3 – Membranas utilizadas para o tratamento de água e esgoto ............................... 32. 3.1 – Dados de aplicação da membrana de OR – RE2540-TE .................................. 59. 3.2 – Taxa ou fator de recuperação máximo – RE2540-TE ....................................... 59. -1. 5.1 – Índices dos ensaios para 2.000 mg.L .............................................................. 111. 5.2 – Índices dos ensaios para 5.000 mg.L-1 .............................................................. 117. 5.3 – Radiação solar global diária e produção de permeado ..................................... 118 5.4 – Custo do capital para aquisição do sistema de OR-FV .................................... 129 5.5 – Custo operação + manutenção do sistema de OR-FV por ano ......................... 129. 5.6 – Custo total da água potável do sistema de OR-FV ........................................... 131. 5.7 – Preços da água utilizada em localidades remotas ............................................. 131. 6.1 – Categorias de consumo de água doméstico e nível de qualidade de água para cada categoria .......................................................................................... 134.

(16) xv. LISTA DE ABREVIATURAS A/D. conversor analógico-digital. ABAS. Associação Brasileira de Águas Subterrâneas. AM. coeficiente de massa de ar. CC. corrente continua. CC-CA. corrente continua – corrente alternada. CC-CC. corrente continua – corrente continua. CE. consumo específico. CF. conversor de freqüência. CREST. Centro para a Tecnologia de Sistemas de Energia Renovável. CSM. fabricante coreano de membranas filtrantes. FAE. Grupo de Fontes Alternativas de Energia – Recife – Brasil. FF. fator de forma. FR. fator de recuperação. FV. gerador fotovoltaico. INETI. Departamento de Energias Renováveis – Lisboa – Portugal. MME. Ministério das Minas e Energia. OMS. Organização Mundial de Saúde. OR. osmose reversa. OR-FV. unidade de osmose reversa alimentada por gerador fotovoltaico. PID. controle Proporcional-Integral-Diferencial do conversor de freqüência. PMP. Ponto de Máxima Potência. STD. Sólidos Totais Dissolvidos. VA. válvula de controle. VMP. Valor Máximo Permitido.

(17) xvi. LISTA DE SÍMBOLOS viscosidade absoluta da água. µ m. espessura efetiva da membrana. P. pressão osmótica da água através da membrana diferença de pressão osmótica entre as soluções diluída e concentrada fator de tortuosidade do poro. s. número de íons formados na dissolução do sal Pressão osmótica. Πa. pressão osmótica da alimentação na entrada do arranjo. Πc. pressão osmótica do concentrado na saída do arranjo. η. Eficiência. ηbomba. rendimento da bomba. ηmotor. rendimento do motor. κ. fator de fluxo (propriedade da membrana). σκ. constante empírica específica para cada tipo de membrana. •. Qp f. Fluxo de água permeada freqüência elétrica [Hz]. Ca. concentração da água de alimentação. Cc. concentração da água do concentrado. CEe. consumo específico elétrico. CEh. consumo específico hidráulico. CEideal. consumo específico ideal. Cp. concentração da água do permeado. Cs. concentração molar do sal. f. porosidade da membrana. Hcol. Irradiação diária Global [MJ.m-2]. ICC. Corrente de curto-circuito. Icol. radiação solar instantânea no plano do arranjo fotovoltaico [W.m-2]. Id. corrente direta do diodo.

(18) xvii. IL. Fotocorrente. IMP. Corrente de máxima potência. IMP. corrente de máxima potência. J. fluxo através da membrana. n. dia juliano [ onde n varia de 1 a 365]. P3. pressão na entrada do arranjo de membranas. P4. pressão no concentrado. Pa. pressão de alimentação. Pc. pressão do concentrado. Pf. pressão de filtração. Pp. pressão do permeado. PSa. Posição mais aberta da válvula. PSb. Posição intermediária da válvula. Psc. pressão osmótica na saída do concentrado. PSc. Posição mais fechada da válvula. Qa. vazão de alimentação. Qc. vazão do concentrado. Qp. vazão do permeado. R. constante dos gases. Rcp. resistência da camada de concentração-polarização. Rm. resistência da membrana. rp. raio médio dos poros. Rp. resistência devido ao bloqueio interno dos poros. Rp. resistência paralelo. RS. resistência série. Rt. resistência da torta de filtro. T. temperatura absoluta. VMP. Tensão de máxima potência. VMP. tensão de máxima potência. VOC. Tensão de circuito aberto.

(19) xviii. SISTEMA DE DESSALINIZAÇÃO POR OSMOSE REVERSA ACIONADO POR GERADOR FOTOVOLTAICO COM CONVERSOR DE FREQÜÊNCIA. Autor: Gilmario dos Anjos Lima. Orientador: Prof. Dr. NAUM FRAIDENRAICH. Co-orientadoar: Prof. Dra. OLGA DE CASTRO VILELA. RESUMO. Uma fração importante dos aqüíferos da Região Nordeste do Brasil apresenta água com níveis de salinidade elevados (maior que 3.000 mg.L-1). A população que habita essas regiões não conta com suprimento de água nem de energia elétrica convencional, para acionamento de possíveis sistemas de bombeamento e dessalinizadores. Entretanto, sistemas fotovoltaicos podem ser utilizados em forma confiável para operá-los. Sistemas de osmose reversa, hoje largamente utilizados no mundo, são uma alternativa válida para prover de água potável as populações em localidades remotas. Neste trabalho são estudadas as condições operacionais de um sistema de osmose reversa (OR) com 3 membranas em série, com capacidade de produção de 250 L.h-1 e grau de salinidade máximo de 5.000 mg.L-1, operado em três configurações: Configuração A tem o sistema de OR conectado diretamente a energia elétrica convencional, obtendo resultados da unidade com freqüência fixa (60 Hz); Configuração B utiliza um conversor de freqüência como interface entre a rede elétrica e o sistema OR, possibilitando o ensaio para várias freqüências de rotação do motor; e Configuração C utiliza o conversor de freqüência entre o gerador fotovoltaico com 16 módulos em série de 55 Wp cada e o sistema de osmose reversa (OR-FV). Os resultados obtidos na Configuração A representam o comportamento do sistema OR em função das.

(20) xix. variáveis em estudo: pressão, vazão e concentração de entrada, vazão e concentração do permeado, para diversas posições da válvula de controle (VA) do fluido na saída da unidade de OR. Na Configuração B são obtidos resultados experimentais para diversas freqüências de operação, vazão e pressão de entrada no sistema de membranas e salinidade da água de alimentação, para três posições da válvula de controle (VA). Determina-se a região de operação, ou seja, vazão mínima e máxima e pressão mínima e máxima, de acordo com as características da membrana utilizada e o tipo de água a ser tratado. São também determinados os parâmetros operacionais mais importantes: água dessalinizada e fator de recuperação vs. pressão de operação para vários graus de salinidade. Os resultados são utilizados como parâmetros de entrada para projetar o sistema fotovoltaico que aciona o equipamento de osmose reversa. Com o sistema de osmose reversa conectado ao gerador fotovoltaico (Configuração C), foram realizados ensaios para duas salinidades de entrada: 2.000 e 5.000 mg.L-1. Operando com salinidade igual a 2.000 mg.L-1 e irradiação igual a 14,19 MJ.m-2, o equipamento produziu 626 L/dia de água dessalinizada e com uma concentração de entrada de 5.000 mg.L-1 e irradiação de 18,23 MJ.m-2 foram produzidos 540 L/dia. Para 2.000 e 5.000 mg.L-1 de salinidade, os valores de consumo específico observados estiveram em torno de 3,7 e 6,1 kWh.m-3, respectivamente. Com o estudo do comportamento diário do sistema OR-FV para as duas salinidades, foi feito uma análise econômica do custo da água potável obtendo 6 US$.m-3 para 2.000 mg.L-1 e 10 US$.m-3 para 5.000 mg.L-1 e comparado com o custo da água de outras fontes de suprimento em localidades remotas. Palavras-chave: dessalinização, osmose reversa, membranas filtrantes, energia solar, painel fotovoltaico.

(21) xx. PHOTOVOLTAIC-POWERED REVERSE OSMOSIS PLANT WITH FREQUENCY CONVERTER. Author: Gilmario dos Anjos Lima. Adviser: Prof. Dr. NUM FRAIDENRAICH. Co-adviser: Prof. Dra. OLGA DE CASTRO VILELA. ABSTRACT. An important fraction of the aquifers of the Northeast Area of Brazil presents water with high salinity levels (larger than 3,000 mg.L-1). The population that inhabits in those areas doesn't have supply of water nor conventional electricity, for water pumping systems and desalinators. However, systems photovoltaics can be used in reliable form to operate them. Reverse osmosis systems (RO), today broadly used in the world, they are a valid alternative to provide of drinking water the populations in remote places. In this work they are studied the operational conditions of a reverse osmosis systems with 3 membranes in series, capacity of production of 250 L.h-1 and maximum salinity degree of 5,000 mg.L-1, operated in three configurations. The Configuration A has the RO system connected conventional electricity, obtaining results of the unit frequently fixed (60 Hz). The Configuration B uses a frequency converter as interface between the conventional electricity and the RO system, making possible the rehearsal for several frequencies of rotation of the motor. Finally, the Configuration C uses the frequency converter among the photovoltaic generator with 16 modules in series of 55 Wp each and the reverse osmosis systems (RO-PV). The results obtained in the Configuration A represent then the behavior of the RO system in function of the variables in study: pressure, flow and concentration input, flow and concentration of the permeated, for several positions of the control valve (VA) of the fluid in the exit of the.

(22) xxi. RO plant. In the Configuration B are obtained experimental results for several operation frequencies, flow and pressure input in the system of membranes and salinity of the feeding water, for three positions of the control valve (VA). Determined the operation area, in other words, minimum and maximum flow and minimum and maximum pressure, in agreement with the characteristics of the used membrane and the type of water to be treated. They are also certain the more important operational parameters: permeate water and factor of recovery vs. operation pressure for several salinity degrees. The results are used as input parameters to project the photovoltaic system that works the equipment of reverse osmosis. With the system of reverse osmosis connected to the photovoltaic generator (Configuration C), rehearsals were accomplished for two entrance salinities: 2,000 and 5,000 mg.L-1. Operating with salinity same to 2,000 mg.L-1 and irradiation same to 14.19 MJ.m-2, the equipment produced 626 L/day of permeate water and with a concentration of entrance of 5,000 mg.L-1 and irradiation of 18.23 MJ.m-2 were produced 540 L/day. For 2,000 and 5,000 salinity mg.L-1, the consumption values specify observed they were around 3.7 and 6.1 kWh.m-3, respectively. With the study of the daily behavior of the system RO-PV for the two salinities, was made an economical analysis of the cost of the drinking water obtaining 6 US$.m-3 for 2,000 mg.L-1 and 10 US$.m-3 for 5,000 mg.L-1 and compared with the cost of the water of other supply sources in remote places. Key-words: brackish water desalination, reverse osmosis, membranes filtrantes, solar energy, photovoltaic generation..

(23) 1 ____. Capítulo 1 – Introdução. 1 INTRODUÇÃO. A região Nordeste do Brasil é habitada, em parte, por pequenas comunidades desprovidas de infra-estrutura básica, como energia elétrica, escolas, postos de saúde ou saneamento básico. Em particular, uma parcela significativa da população carece de um suprimento adequado de água, seja pela carência de fontes hídricas potáveis ou por problemas de gestão.. A área do chamado “Polígono da Seca” compreende cerca de 950.000 km² (60% da superfície total da Região Nordeste), 788.358 km² dos quais (51% da superfície total da Região Nordeste) estão localizados em terrenos cristalinos. Este tipo de formação geológica caracteriza-se pela existência de aqüíferos1 profundos, com pouca vazão e, de maneira geral, com elevada concentração de sais.. A ausência de políticas públicas na gestão das águas, principalmente em países de terceiro mundo, tem provocado sérios problemas de saúde pública. Com vistas a isso e buscando zelar pela qualidade da água para consumo humano, a Organização Mundial de Saúde (OMS) criou referências para o estabelecimento de normas no 1. Aqüífero é o corpo hidrogeológico com capacidade de acumular e transmitir água através dos seus. poros, fissuras ou espaços resultantes da dissolução e carreamento de materiais rochosos..

(24) Capítulo 1 – Introdução. 2 ____. controle da água e do abastecimento em cada país. No Brasil, foi editada pelo Ministério da Saúde a portaria número 518, de 25 de março de 2004, que estabelece os parâmetros de potabilidade da água para consumo humano. Nesta portaria encontra-se a seguinte definição para água potável: “água potável para o consumo humano é aquela cujos parâmetros microbiológicos, físicos, químicos e radioativos atendem ao padrão de potabilidade e que não ofereça riscos à saúde”. O Valor Máximo Permitido (VMP) para os Sólidos Totais Dissolvidos (STD) é de 1.000 mg.L-1 (onde 1 mg.L-1 equivale a 1 ppm). A OMS define o patamar máximo de 500 mg.L-1 de STD para que a água possa ser considerada potável e um consumo médio de 40 litros por pessoa por dia para uso geral, incluindo 2 litros de água para beber em regiões de clima temperado e 4,5 litros para regiões de clima quente. Para cumprir sua função no corpo humano, a água deve possuir certa proporção de sais. Porém, não deve ultrapassar o limite acima definido. Caso isto ocorra por períodos longos, prejuízos irreparáveis são causados à saúde humana.. As soluções tradicionais para resolver o problema da falta de água na região tem sido a construção de açudes, para armazenar água superficial, uso de carrospipas, e a perfuração de poços para buscar água subterrânea2. Segundo estudos da. 2. Água subterrânea é toda a água que ocorre abaixo da superfície da Terra, preenchendo os poros ou. vazios intergranulares das rochas sedimentares, ou as fraturas, falhas e fissuras das rochas compactas, e que sendo submetida a duas forças (de adesão e de gravidade) desempenha um papel essencial na manutenção da umidade do solo, do fluxo dos rios, lagos e brejos. As águas subterrâneas cumprem uma fase do ciclo hidrológico, uma vez que constituem uma parcela da água precipitada..

(25) Capítulo 1 – Introdução. 3 ____. Associação Brasileira de Águas Subterrâneas (ABAS) (CARVALHO, 2003), poderiam ser extraídos do subsolo da região, sem risco de esgotamento dos mananciais, pelo menos 19,5 bilhões de metros cúbicos de água por ano (40 vezes o volume explorado hoje). O que estes estudos mostram é que provavelmente a solução ao problema de abastecimento de água no Nordeste está mais no subsolo do que na sua superfície.. Um estudo realizado pelo Ministério de Minas e Energia (MME) intitulado “Projeto cadastro da infra-estrutura hídrica do Nordeste”, registrou poços tubulares, poços amazonas representativos, fontes naturais, barragens subterrâneas e reservatórios superficiais significativos (barragens, açudes e barreiros) em uma área de 225.000 km² da região semi-árida brasileira. Excetuam-se deste levantamento as capitais dos estados. Nesse ambiente foram coletadas 15.338 amostras de água e determinada sua condutividade elétrica, resultando que aproximadamente 25% dos poços apresentam valores de salinidade adequados para o consumo humano (MME, 2003).. Com um baixo índice de eletrificação nestas áreas, uma estratégia eficiente para melhorar as condições de abastecimento da água, pode ser obtida através da utilização de fontes renováveis de energia, e no caso do presente trabalho, energia solar fotovoltaica.. Pelo que foi mencionado, e sobre tudo de acordo com a experiência histórica, o abastecimento de água na região do semi-árido nordestino constitui um.

(26) Capítulo 1 – Introdução. 4 ____. problema de caráter secular. Naturalmente em diferentes períodos e épocas foram procuradas diversas soluções tal como no presente, por exemplo, através de cisternas e barragens subterrâneas. Neste trabalho se pretende analisar a utilização da energia solar, muito expressiva na região, visando a operacionalização de sistemas para dessalinização de águas salobras (1.000 a 5.000 mg.L-1). Dentre as diversas técnicas disponíveis se propõe a utilização da osmose reversa, associada a um gerador fotovoltaico (OR-FV), para reduzir até níveis aceitáveis o teor de salinidade da água. Em princípio, esta proposta constitui uma alternativa para resolver em forma simultânea o problema da carência de água (2 litros por pessoa) e da energia necessária para o acionamento do sistema de provisão de água potável para as populações rurais.. 1.1.. Objetivos. 1.1.1. Objetivos gerais. Este trabalho tem o objetivo de utilizar em conjunto as tecnologias de osmose reversa e fotovoltaica, associadas a um conversor de freqüência, para a dessalinização de água salobra oriunda de poços no semi-árido do Nordeste brasileiro.. 1.1.2.. Objetivos específicos. a) Realizar um estudo experimental para determinar os parâmetros operacionais do sistema de osmose reversa: produção de água.

(27) Capítulo 1 – Introdução. 5 ____. dessalinizada, pressão de trabalho e consumo específico de energia, em função do grau de salinidade; b) Estabelecer um procedimento de controle por meio do conversor de freqüência, de forma tal que o conjunto motobomba opere com tensão fixa e corrente variável e freqüência variável e o sistema de osmose reversa (excluindo o motor-bomba) com pressão variável e adequada ao nível de salinidade da água a ser tratada. O conjunto motobomba irá operar sujeito as variações estocásticas impostas pela radiação solar; c) Estudar a viabilidade técnica e econômica da implementação do sistema. Estimar o custo por metro cúbico de água dessalinizada e comparar com os custos de outras alternativas disponíveis.. 1.2.. Revisão da literatura. Existem numerosos trabalhos que tratam sobre sistemas de osmose reversa acionados por fontes variáveis de energia, solar ou eólica. Em particular, a combinação entre a tecnologia fotovoltaica e a osmose reversa, viabiliza a produção de água de excelente qualidade em localidades remotas que carecem de energia elétrica e ao mesmo tempo dispõem de um abundante recurso solar.. Os sistemas de dessalinização com gerador fotovoltaico geralmente empregam baterias. Esta configuração permite que o equipamento opere com vazão constante, respeitando assim os limites físicos da membrana utilizada. Esses sistemas.

(28) Capítulo 1 – Introdução. 6 ____. apresentam grandes variações nos valores do consumo específico (kWh.m-3), fator que é determinado pela diferença de escala das plantas de OR-FV, pelo uso de banco de baterias, a origem da água de alimentação (salina ou salobra), concentração de sais, pressão de operação e taxa de recuperação.. RIFFEL (2005) desenvolveu um sistema de osmose reversa com a utilização de tecnologia fotovoltaica para o suprimento de água potável através da dessalinização da água salobra oriunda de poços profundos, no semi-árido nordestino brasileiro, sem a utilização de baterias. Uma unidade de osmose reversa acionada por energia solar fotovoltaica sem baterias foi instalada em laboratório, no estado do Ceará. A ausência do banco de baterias proporciona uma redução dos custos e da necessidade de manutenção; ao mesmo tempo em que altera de sobremaneira, a operação da unidade, tornando-a totalmente subordinada às condições instantâneas da radiação solar e da temperatura ambiente. Um procedimento metodológico foi desenvolvido para projetar esse tipo de unidades, utilizando, como parâmetros de projeto, dados estatísticos da radiação solar e a possibilidade de complementaridade sazonal da obtenção de água potável através de cisternas. Dois sistemas foram matematicamente modelados e validados experimentalmente. O Sistema 1 possui um conjunto motobomba acoplado diretamente a 2 módulos FV de 55 Wp cada. Para o Sistema 2 foram acrescidos 1 módulo fotovoltaico da mesma potência e um conversor CC-CC abaixador (Buck) de tensão com seguidor de máxima potência entre o arranjo fotovoltaico e a carga. A necessidade de se regular a potência entregue à carga, pelo Sistema 2, motivou o desenvolvimento do conversor e do algoritmo, seguidor de.

(29) Capítulo 1 – Introdução. 7 ____. máxima potência, especialmente para esta aplicação. As simulações possibilitaram a comparação entre os dois sistemas, realizada em duas situações: com e sem a inserção de uma válvula de alívio no Sistema 1. Todas as comparações mostraram uma ampla vantagem do Sistema 2, seja na produção média diária de água potável, no período diário de operação, no consumo específico ou na relação potência fotovoltaica por litro de água produzida. As bombas volumétricas, neste caso de diafragma, foram aprovadas para aplicações em unidades de osmose reversa. No entanto, para virem a ser alimentadas via arranjos fotovoltaicos, torna-se necessário a adoção dos seguidores de máxima potência.. CARVALHO et al. (2003) descrevem um sistema que combina as tecnologias de osmose reversa e fotovoltaica para provisão de água potável, a partir de um poço com 800 mg.L-1 de salinidade, em uma comunidade rural na região semi-árida do Brasil (latitude 3°44 S). A temperatura média anual do local é de 28°C e possui uma radiação solar anual de cerca de 2.000 kWh.m-2. Os componentes principais da instalação são: 8 baterias (12V, 100Ah) com controlador de carga, 1 membrana de OR (produção nominal de água potável de 250 L.h-1) e 20 módulos FV de 55 Wp cada.. São investigadas duas estratégias de operação: primeiro a planta OR-FV (osmose reversa com fotovoltaico) é equipada com um motor CC; e segundo, um motor de indução trifásico, mediante o uso de conversores de freqüência..

(30) Capítulo 1 – Introdução. 8 ____. O motor CC usado tinha tensão e potência nominal de 24 V e 750 W, respectivamente. A unidade produziu água potável durante os meses de Setembro, Outubro e Novembro de 2000. Somente no mês de Outubro houve uma redução significativa da produção de água potável devido à uma parada ocasionada por uma falha nas escovas da máquina CC, e a respectiva dificuldade de encontrá-la no mercado local. Durante esse mês, a unidade ficou parada por dez dias. Nesse período de 3 meses, a unidade apresentou uma grande variação nos valores da taxa de recuperação e no consumo específico. Devido a essas condições, o motor CC teve diversos problemas de operação. Ao final deste período, a unidade havia acumulado um total de 33.821 L e um consumo total de energia elétrica de 160 kWh; isso resultou em um consumo específico médio mensal de 4,72 kWh.m-3.. Devido ao excessivo desgaste do motor CC, os resultados experimentais a princípio sugerem a segunda opção como a melhor alternativa. O motor CC foi substituído por motor trifásico de indução de 2 HP com tensão nominal de 220 V, que operou no inicio de Janeiro. Para a viabilidade técnica do uso do motor de indução trifásica, foi-se necessário a implementação na planta de OR de um conversor CC-CC elevador conectado ao banco de baterias para elevar a tensão de 24 V para 220 V e um inversor CC-CA com potência nominal de 750 W.. A produção de água potável da unidade OR equipada com o motor de indução trifásico foi significativamente superior à que correspondeu ao motor CC. O sistema funcionou nos meses de Janeiro (apenas 20 dias), Fevereiro e Março de 2001. A.

(31) Capítulo 1 – Introdução. 9 ____. produção de água potável para esse período foi de 38.413 L e um consumo elétrico total de 116,43 kWh.. Com esta estratégia e utilizando um gerador fotovoltaico de 1,1 kWp, um banco de baterias de 400 Ah e 24 V, o sistema conseguiu produzir 250 L.h-1 de água dessalinizada a partir de água salobra, com um consumo elétrico específico mensal (energia requerida para produzir 1 m3 de água potável) de 3,03 kWh.m-3, uma relação de recuperação de 27% (relação entre o volume de água potável e o volume de água de alimentação) e um custo de água potável de US$12,76 por m3. O trabalho fornece uma boa visão dos resultados que se podem obter com um sistema OR-FV com uso de baterias. No entanto o custo ecológico deve ser considerado quanto a utilização de baterias.. Uma simulação de um sistema fotovoltaico sem baterias para alimentar um sistema de dessalinização de água do mar por osmose reversa é descrita por THOMPSON e INFIELD (2002). O sistema, simulado para Eritrea, tem um arranjo fotovoltaico de 2,4 kWp e uma produção média anual de 3 m3 por dia operando com água do mar (Ca = 40.000 mg.L-1). O sistema opera com vazão de água variável, em decorrência das variações do recurso solar, sem necessidade de baterias. Empregam, na sua construção, inversores industriais, motores e bombas que, de acordo com os autores, podem ser adquiridas a baixo custo. O seguimento dos Pontos de Máxima Potência (PMP) para o arranjo fotovoltaico é provido por um algoritmo de controle desenvolvido pelo Centro para a Tecnologia de Sistemas de Energia Renovável (CREST). O.

(32) Capítulo 1 – Introdução. 10 ____. desempenho do sistema de osmose reversa e estimativas de custo são gerados através de um programa de simulação.. LIMA JR (2006) avaliou e investigou o desempenho de um sistema de dessalinização por osmose reversa acionado por energia eólica, sem a utilização de baterias. Os testes experimentais de um dessalinizador e de uma turbina eólica de pequeno porte instalados na UFPE, em Recife, foram utilizados para caracterizar e estimar a produção de água potável de um sistema Eólico-OR, em qualquer lugar, a partir das características locais de vento e da qualidade de água desejada. Com um estudo de caso (região do Cariri-PB) foi estimado a produção anual de permeado de 300 m3 para uma salinidade de alimentação de 3.000 mg.L-1 a um custo de 12,64 US$.m3. Porém não foi citado o valor do consumo específico para este estudo.. Um trabalho de simulação do sistema de osmose reversa alimentado por fonte alternativa, no caso eólica, sem a utilização de baterias foi realizado por MIRANDA e INFIELD (2002). O sistema simulado inclui um gerador de turbina eólica de 2,2 kW alimentando uma unidade de osmose reversa (OR) para a dessalinização de água do mar. A alimentação com fluxo de energia variável permite acomodar a incerteza e variabilidade do vento sem necessidade de armazenamento de energia. A produção é dependente da velocidade instantânea do vento. Uma estratégia de controle é usada para maximizar a produção de água da unidade de OR. Um programa de simulação computacional foi desenvolvido baseado em modelos de componentes.

(33) Capítulo 1 – Introdução. 11 ____. caracterizados em testes de laboratório. São apresentadas e discutidas predições de desempenho.. Uma pequena unidade de demonstração de um sistema de osmose reversa acionada por módulos fotovoltaicos com pressão variável (sem baterias) foi instalada em 2000 no Departamento de Energias Renováveis – INETI - em Lisboa por JOYCE et al. (2001). A água manipulada no laboratório tem uma condutividade compreendida entre 2.000 e 5.000 µS/cm (equivalente a 1.280 e 3.200 mg.L-1) de Sólidos Totais Dissolvidos (STD) a 20oC. O sistema de osmose reversa possui um módulo em espiral, uma bomba de 12 V CC e o gerador fotovoltaico é composto de 3 módulos de 50 Wp ligados em paralelo. Foram testados dois modos de operação, com 2 e 3 módulos fotovoltaicos. Com 2 módulos, o consumo específico variou de 28,8 kWh.m-3 (produção de 1,9 L.h-1) até 40,1 kWh.m-3 (produção de 1,0 L.h-1); Com 3 módulos de 50 Wp, a variação foi de 25,6 até 32,4 kWh.m-3, que correspondem a produção de 3,2 e 3,4 L.h-1 respectivamente. Observar-se que o consumo específico de energia é muito elevado para os dois modos testados.. Uma unidade de osmose reversa de pequeno porte foi instalada em 1998 no campo de testes do instituto espanhol de Pozo Izquierdo - Gran Canaria (HEROLD e NESKAKIS, 2001) para a dessalinização da água do mar. A planta é suprida por um sistema FV, isolado da rede elétrica convencional, de 4,8 kWp, com um banco de baterias de 1.240 Ah. Diferentes estratégias de controle e regulação foram propostas.

(34) Capítulo 1 – Introdução. 12 ____. para aumentar a produção diária de água potável, sempre pensando no menor custo possível. Os elementos da unidade instalada são:. a) Membrana em espiral para dessalinizar a água do mar para uma produção máxima de 3 m3 por dia; b) Arranjo FV (64 módulos de silício monocristalino de 75 Wp cada, totalizando: 4.800 Wp); c) Regulador de carga; d) Inversor (potência nominal de 4,5 kW); e) Banco de baterias (capacidade nominal de 1240 Ah, C100, 48V); f) Uma motobomba trifásica de 3 CV, 230V - 50Hz.. Inicialmente determinou-se os parâmetros ótimos de operação em diferentes pressões de alimentação na ordem de 4,50 – 6,30 MPa, sendo eles:. a) menor consumo específico; b) maior produção de água potável (>800 L por dia); c) qualidade suficiente da água potável (< 500mg.L-1 de STD).. A unidade operando a 4,80 MPa de pressão apresentou um consumo específico de 16,3 kWh.m-3, produzindo uma água com 450 mg.L-1 de STD e um volume de água potável de 124 L.h-1. A mesma unidade, operando a 6,30 MPa, obteve.

(35) Capítulo 1 – Introdução. 13 ____. um consumo específico de 15 kWh.m-3, uma concentração de sais de 330 mg.L-1 e uma produção de água potável de 155 L.h-1.. Em uma segunda fase, três diferentes estratégias de operação foram testadas para encontrar a que melhor se adapte a unidades de OR supridas por módulos FV com baterias. Todas essas estratégias foram elaboradas, levando em consideração a capacidade do banco de baterias:. a) Estratégia de regulação estática: duas vezes por dia a capacidade da bateria é medida: uma, às 6 da manhã, para determinar a hora de iniciar o funcionamento, e outra, ao meio-dia, especificando assim a hora de desligar a unidade. b) Estratégia de regulação flexível: a capacidade da bateria é medida continuamente. A unidade começa a funcionar, quando a capacidade da bateria for superior a 800 Ah, permanecendo em funcionamento, enquanto a capacidade não cair abaixo de 600, ou mesmo 800 Ah. c) Estratégia de regulação dinâmica: o objetivo dessa estratégia foi encontrar a maior flexibilidade de operação para diminuir ao mínimo a quantidade de chaveamento da unidade de OR. Para iniciar o funcionamento, a radiação solar precisa exceder a um determinado limite inferior, nesse instante a capacidade da bateria é medida, estabelecendo assim, através de regras, o.

(36) Capítulo 1 – Introdução. 14 ____. horário para iniciar a operação. Se a radiação solar permanece abaixo de um limite por um determinado período, a hora de desligamento do sistema é antecipado, dependendo da situação nesse momento. Uma vez em operação, se a radiação cair abaixo de um limite mínimo, a planta é desligada imediatamente.. Uma unidade de dessalinização foi instalada, em 1988, na região desértica do sul da Argélia (KEHAL, 1991). Esse experimento envolveu as tecnologias fotovoltaicas e a de osmose reversa, para suprir a demanda de água potável de 400 pessoas. Antigamente essa demanda era atendida por caminhões que percorriam uma distância de até 150 km. A água salobra, proveniente de um poço, possui uma quantidade total de sólidos dissolvidos de aproximadamente 3.000 mg.L-1 a uma vazão de 2,7 m³.h-1. Dois reservatórios de 4 m³ armazenam a água salobra e um terceiro, da mesma capacidade, armazena água potável.. Dois anos de operação foram relatados, 1988 e 1989. No primeiro ano a produção de água potável era de 935 – 1.100 L.h-1, a um consumo específico que variou entre 1,38 e 2,0 kWh.m-3 e uma taxa de recuperação de 34 - 40,7 %. Em 1989, devido provavelmente às incrustações, a vazão de água permeada caiu para 650 - 900 L.h-1, juntamente com a taxa de recuperação, que atingiu os 24 a 33 %. Conseqüentemente, o consumo específico subiu e variou entre 2,05 e 2,77 kWh.m-3. No verão, devido à alta temperatura da água de alimentação (36 ºC), foram encontrados as maiores taxas de recuperação e os menores consumos específicos..

(37) Capítulo 1 – Introdução. 15 ____. As margens do Mar Vermelho, uma planta de OR-FV foi instalada em 1986 a 600 km de Cairo (MAUREL, 1991). Entretanto, uma água salobra de 4400 mg.L-1 foi utilizada para produzir 10 metros cúbicos por hora de água potável. Dois arranjos fotovoltaicos, um de 19,84 kWp (104 V) e outro de 0,64 kWp (24 V), foram utilizados para alimentar a bomba de alta pressão e o circuito de controle, respectivamente. Um banco de baterias de 2000 Ah (104 V) foi projetado para garantir uma autonomia de até 3 dias sem radiação solar suficiente. A planta apresentou um consumo específico abaixo de 1,0 kWh.m-3.. Estratégias de otimização relativas ao consumo de energia são apresentadas por Laborde et al. (2001). Para água salobra com 3.000 mg.L-1 os autores estimam consumos específicos de energia da ordem de 1,5 kWh.m-3 e para água salina com 34.000 mg.L-1 água do mar este parâmetro atinge valores da ordem de 9,5 kWh.m-3. Concluiu-se que a seleção do tipo de membrana, o design do sistema e, em particular, a eficiência da bomba de alta pressão afeta diretamente o consumo de energia. O custo da água dessalinizada foi estimado para a pequena unidade e verificouse que o mesmo se comporta de forma linear com a concentração de STD da água de alimentação.. Um procedimento de simulação utilizado para dessalinizar água salobra mostrou consumos específicos de 1,1 kWh.m-3 para salinidade entre 2.000 mg.L-1 e 1,5 kWh.m-3 para 5.000 mg.L-1, quando um gerador fotovoltaico aciona um motor CC acoplado a uma caixa de redução. Para quatro salinidades de entrada (3.000, 5.000,.

(38) Capítulo 1 – Introdução. 16 ____. 7.000 e 10.000 mg.L-1) foi aplicado um modelo teórico para se determinar a produção anual de água potável (MOHSEN e JABER, 2001).. Observa-se que muitos dos resultados mencionados na literatura têm sua origem em simulações, algumas bastante sofisticadas, mas carecem de suporte experimental. Por outro lado os valores de consumo específico, obtidos através dessas simulações, parecem ser bastante menores que os que se obtém através da experiência prática e apresentam uma dispersão considerável. Finalmente, em muitos casos, as informações disponíveis não indicam a dependência do consumo especifico de energia do nível de salinidade da água de entrada.. Contribuindo para os esclarecimentos do funcionamento de um sistema de osmose reversa com fotovoltaico, serão realizadas experiências com água salobra, com níveis de salinidade compreendida entre 1.000 e 5.000 mg.L-1, gerando os parâmetros operacionais que permitam uma adequada caracterização do sistema e, na medida do possível quando os fatores de escala assim o permitam, sua generalização.. 1.3.. Descrição da dissertação. A presente dissertação divide-se em quatro partes:. a) Instalação de uma unidade de dessalinização por osmose reversa na área de testes do Grupo de Fontes Alternativas de Energia.

(39) 17 ____. Capítulo 1 – Introdução. (FAE) da UFPE e implantação dos sensores de pressão, vazão e concentração de STD no sistema de aquisição de dados. b) Estudo do comportamento do sistema de OR conectado diretamente a rede de energia elétrica através de um motor monofásico – 220 V CA. c) Estudo do comportamento do sistema de OR conectado a rede de energia elétrica, tendo na sua interface um conversor de freqüência alimentando um motor trifásico – 220 V. d) Instalação do sistema de osmose reversa ao gerador fotovoltaico (OR-FV),. realizando. testes. e. avaliação. do. protótipo. experimental.. Com relação ao item (a), foram realizados os primeiros ensaios do sistema de OR com os próprios instrumentos de medição que foram fornecidos pelo fabricante do equipamento. Esses ensaios serviram para descrever o comportamento das variáveis em estudo. Com essa descrição e com as condições de trabalho, foram adquiridos transdutores de melhor precisão que são acoplados à um sistema de aquisição de dados.. Seguindo com o trabalho, no item (b) foram realizados os ensaios para vários níveis de salinidade da água de alimentação do sistema de OR variando-se a válvula da saída do sistema (será visto mais adiante que essa válvula controla a vazão do concentrado). O comportamento do sistema foi descrito pelas relações entre vazão e.

(40) Capítulo 1 – Introdução. 18 ____. pressão. Por sua vez estas determinaram o fator de recuperação e o consumo específico de energia.. Na etapa seguinte, com relação ao item (c), foi determinada a posição que melhor se adapta aos níveis de salinidade utilizados. Em seguida foi feito um estudo para verificar os valores críticos das variáveis apresentadas variando-se a freqüência de operação do conversor com a posição fixa da válvula. Esse estudo permitiu adquirir uma boa idéia do comportamento do sistema quanto à utilização de energia solar nos terminais do conversor.. E por fim, no item (d), foi realizado o ensaio com o gerador fotovoltaico para que esteja dentro das condições nominais de operação do conversor de freqüência. Para salinidades diferentes e através dos resultados experimentais foi proposto, através de análise de regressão, correlações entre as variáveis que descrevem o comportamento experimental para cada nível de salinidade. Finalmente, foram comparados os resultados de desempenho do sistema OR-FV com os resultados esperados e elaborada uma análise econômica comparando com outras opções de suprimento de água em localidades remotas..

(41) Capítulo 2 – Dessalinização por OR acionada por energia solar fotovoltaica_. 19 __. 2 DESSALINIZAÇÃO POR OSMOSE REVERSA ACIONADA POR ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA. 2.1.. Dessalinização da água por osmose reversa. Antes da escolha de um método de dessalinização por meio de uma fonte geradora variável, como é o caso da geração de energia por fontes renováveis, é necessário saber a quantidade de energia requerida para se dessalinizar a água salobra. Essa quantidade de energia consumida para produção de um metro cúbico de água potável para vários graus de salinidade é dada em função da taxa ou fator de recuperação (FR), que é definida como a relação entre a quantidade de água potável que sai do dessalinizador e a quantidade de água de alimentação.. 2.1.1.. Sistemas de dessalinização. A Figura 2.1 mostra um gráfico que compara a energia utilizada, em quilos de óleo de combustível por metro cúbico de água (kg.m-3), para produção de água potável na dessalinização de água salobra através dos processos de destilação (ou mudança de fase) e de membrana semipermeável. A divisão ainda pode ser feita em processos que usam calor, como é o caso das destilações de múltiplo efeito e.

(42) Capítulo 2 – Dessalinização por OR acionada por energia solar fotovoltaica_. 20 __. multiestágio flash e processos que utilizam trabalho mecânico, como é o caso da compressão de vapor, eletrodiálise e osmose reversa.. Figura 2.1 - O consumo de energia (em quilos de óleo de combustível por metro cúbico de água purificada) é menor nas instalações de osmose reversa. Fonte: CARVALHO, 2003. Dentre os processos de dessalinização de água salobra, o processo de osmose reversa e o de eletrodiálise são os que representam o menor consumo teórico de energia, com 0,75 kg.m-3. Enquanto que a osmose reversa para água do mar (concentração de NaCl em torno de 35.000 mg.L-1), apresenta um consumo bem maior com 3 kg.m-3 e a eletrodiálise consome 2,5 vezes mais energia. Embora a comparação seja feita para a forma de energia térmica que não é equivalente a energia elétrica, os resultados servem para se estimar e comparar o consumo de energia dos diversos processos.. Comparando, ainda, o custo em dólares por metro cúbico de água potável em relação à concentração de sal para diversos métodos de dessalinização, como mostra a Figura 2.2, pode-se observar que na destilação o custo é independente da.

(43) Capítulo 2 – Dessalinização por OR acionada por energia solar fotovoltaica_. 21 __. quantidade de sal, enquanto que nos processos por membrana a relação é praticamente linear.. Figura 2.2 - Comparação dos custos da produção de água potável por diversos métodos. Fonte: MOTTA, 1996. A eletrodiálise é bastante utilizada na dessalinização de águas salobras (para concentrações de NaCl menores que 10.000 mg.L-1) onde é competitiva com a osmose reversa, como também mostra a Figura 2.2. Porém a desvantagem da eletrodiálise, é que esse processo elimina apenas o sal enquanto que a osmose reversa elimina além do sal, vírus e bactérias (MOTTA, 1996).. Os sistemas de osmose reversa para água salobra, são hoje largamente utilizados no mundo. Dados atuais mostram que mais da metade das instalações de dessalinização do mundo usam a osmose reversa como mostra a Figura 2.3..

(44) Capítulo 2 – Dessalinização por OR acionada por energia solar fotovoltaica_. 22 __. Figura 2.3 - A osmose reversa é o processo mais utilizado nos sistemas de dessalinização de água do mundo. Fonte: CARVALHO, 2003. Após todas as análises comparativas dos métodos de dessalinização apresentados, optou-se para o presente trabalho pela osmose reversa, como a mais indicada e esse destaque deve-se principalmente ao aperfeiçoamento das membranas, baixo consumo de energia, acionamento elétrico, simplicidade, confiabilidade, fácil operação, método rápido de instalação e a possibilidade de construção modular. Além disso, a comparação do gasto de energia dos diferentes processos de dessalinização mostrou que a osmose reversa é o processo que apresenta o menor consumo específico entre os mais usados atualmente.. 2.1.2.. Princípio da osmose reversa. O principal objetivo do processo de osmose reversa é deixar a água salobra em condições de uso. Osmose reversa (ou inversa) é um fenômeno que permite extrair, através do uso de membranas semipermeáveis, a água potável da água salobra. Na osmose direta, a água pura atravessa a membrana e dilui a salobra. Se não existir uma ação externa, a tendência é ocorrer um equilíbrio de concentração (potencial.