Bombeamento de água com sistemas fotovoltaicos e tecnologia de
bombeamento nacional – zona rural de Pernambuco
Osvaldo Soliano Pereira
1, Maria Cristina Fedrizzi
2, Maria das Graças
Figueiredo
3, Eduardo Allatta
3, Daniel Sarmento de Freitas
4, Teddy Arturo Flores
Meléndez
2, Hugo de Pádua Ferreira
31 UFRB – Universidade Federal do Recôncavo da Bahia. 1 USP – Universidade de São Paulo.
1 CBEM – Centro Brasileiro de Energia e Mudanças Climáticas. 1 CELPE – Companhia Elétrica de Pernambuco.
(fedrizzi@iee.usp.br)
Resumo
O artigo apresenta os resultados de Projeto de P & D da Companhia Energética de Pernambuco (CELPE), executado pelo Centro Brasileiro de Energia e Mudanças Climáticas (CBEM), cujo objetivo principal foi desenvolver uma metodologia de difusão e inserção de sistemas de bombeamento de água com geradores fotovoltaicos acoplados a motores de indução trifásicos e conversores de frequência produzidos no Brasil para fornecer água no meio rural. Nessa metodologia incluiu-se a elaboração de uma ferramenta que permite à CELPE dimensionar sistemas de bombeamento com geradores fotovoltaicos de menor custo. O uso de equipamentos nacionais representa uma oportunidade para ampliar o mercado local, incluindo a prestação de serviços, notadamente no Semiárido nordestino, onde a utilização de poços representa a principal alternativa de suprimento de água. Seu desafio é avaliar a viabilidade em campo da inserção da proposta para uma distribuidora, com base na implantação de sete sistemas de bombeamento em Pernambuco.
Palavras-chave:
bombeamento de água, geração solar, sistemas fotovoltaicos.Abstract
The article presents the results of Project R & D Energy of Pernambuco Company (CELPE), run by the Brazilian Center for Energy and Climate Change (CBEM), whose main objective was to develop a dissemination methodology and inclusion of water pumping
systems with PV arrays coupled to induction motors and frequency inverters produced in Brazil to supply water in rural areas. This methodology was included in the development of a tool that allows the CELPE scale pumping systems with photovoltaic generators cost less. The use of domestic equipment represents an opportunity to expand the local market, including the provision of services, especially in the northeastern semi-arid region, where the use of wells is the main alternative for water supply. Their challenge is to assess the viability of a motion field for the insertion of a distributor, based on the construction of seven pumping systems Pernambuco.
Keywords:
water pumping, solar generation, photovoltaic systems.1. INTRODUÇÃO
O acesso à água tratada é indispensável para a melhoria das condições de higiene e saúde da população e constitui indicador de desenvolvimento humano uma vez associado a outros dados socioeconômicos, a exemplos de serviços de saneamento, educação, nível de renda. Especificamente quanto ao abastecimento de água, suas características podem afetar a saúde humana, sejam determinadas pelas condições naturais, sejam provocadas pelas ações do homem, como é o lançamento de esgotos nas fontes da água, provocando inúmeras doenças.
No Brasil, a situação dos serviços de saneamento ainda é bastante precária e apresenta o mesmo padrão de desigualdade geográfica inter e intra regiões já constado em outros indicadores (renda, educação). Assim, apesar das populações urbanas terem atingido níveis de cobertura elevados com relação ao abastecimento de água (90%), segundo ANA (2013), o mesmo não se verifica com o esgotamento sanitário, o manejo ambiental adequado de águas pluviais e de resíduos sólidos.
No interior dos estados do Nordeste a penetração do abastecimento é ainda mais reduzida, uma vez que a maior parte de sua zona rural está localizada no Semiárido, sub-região que tem por característica climática precipitação média anual da ordem de 900 mm, podendo atingir 400 mm em alguns anos, e elevada evaporação, da ordem de 2.000 mm/ano.
Diante desse panorama as fontes de água subterrânea constituem uma boa alternativa para minimizar o problema, podendo ser obtida através de poços rasos ou profundos. Em se
tratando de abastecimento público, a utilização de poços tem como vantagem a possibilidade de captação no local onde ocorre a demanda, o que dispensa a construção de estações de recalque ou adutoras como no caso se águas de superfície. Dessa forma, o investimento inicial pode ser reduzido e a construção de novos poços realizada de acordo com o crescimento da demanda de água. Todos estes fatores favoráveis tornam seu uso crescente como fonte principal para abastecimento de áreas situadas fora do alcance técnico-econômico da rede de distribuição.
2. DESENVOLVIMENTO DA PESQUISA
Como parte da população está localizada em áreas remotas e distantes das redes de energia elétrica e tendo em vista que o recurso solar é abundante na região Nordeste, a captação de água dos poços com a tecnologia solar fotovoltaica se afigura como alternativa a ser utilizada.
No cálculo da necessidade de água per capita para a população rural consideram-se os distintos usos de água/dia e suas prioridades de uso, ou seja, usos indispensáveis à sobrevivência, como água para beber e para a preparação de alimentos. Além desses usos, outras demandas a serem atendidas são a higiene pessoal e outros gastos domésticos, água para o consumo dos animais e para a irrigação.
Para atender a essa demanda mínima, conforme estudo elaborado pela ANA (2004) para a população rural difusa da bacia do rio São Francisco na região do Semiárido Nordestino, foi previsto um consumo mínimo diário de 90 litros por pessoa (Tabela I).
Tabela I. Consumo diário mínimo por habitante da zona rural difusa.
Discriminação consumo per capta (L/dia)
Água para beber 2 ~ 3
Preparação de alimentos 3 ~ 5
Asseio corporal 25 ~ 32
Lavagem de roupa 20 ~ 30
Limpeza da casa e utensílios de cozinha 20 ~ 30
Total 70 ~ 100
Fonte: ANA (2004).
O sistema solar fotovoltaico é mais econômico em termos de custos operacionais e de manutenção em comparação com a geração a combustível fóssil, por exemplo, uma vez que
dispensa o transporte e consumo de combustível e requer menos manutenção, embora o investimento inicial seja maior.
Em 2004 a ANEEL, através da Resolução Normativa n° 084, regulamentou o uso de Sistemas Individuais de Geração de Energia Elétrica com Fontes Intermitentes (SIGFI’s) como alternativa de atendimento domiciliar por parte das distribuidoras de eletricidade, em suas metas de universalização. Em junho de 2012, através da Resolução ANEEL nº 493, a RN 83/2004 foi revogada para estender os procedimentos/condições de fornecimento não só a sistemas individuais, mas também a sistemas coletivos de geração em comunidades e povoados isolados.
Por outro lado, particularmente os equipamentos de bombeamento fotovoltaico, por serem em sua maioria importados, apresentam problemas relacionados a dificuldades de reparo e reposição dos conjuntos motobomba e dispositivos eletrônicos de condicionamento de potência, o que tem comprometido sua expansão. Outro aspecto importante é a gestão dos sistemas que tem sido transferidos às comunidades locais, as quais não têm estrutura organizada para lidar com esse tipo de problema que é a aquisição de materiais importados.
Este panorama justifica os estudos voltados ao uso de equipamentos mais padronizados e já disponíveis no mercado nacional, desenvolvidos para aplicações na rede elétrica convencional, considerando que esses equipamentos, cuja tecnologia já está madura, podem substituir os dedicados exclusivamente a aplicações com energia solar fotovoltaica, como é o caso dos tradicionais equipamentos de condicionamento de potência de um sistema de bombeamento fotovoltaico por um conversor de frequência (CF), que pode ser acoplado a motobombas convencionais.
3. METODOLOGIA
O objetivo principal do Projeto foi o desenvolvimento de uma metodologia de difusão e inserção do fornecimento de energia elétrica para sistemas de bombeamento de água com geradores fotovoltaicos acoplados a motores de indução trifásicos e conversores de frequência produzidos no Brasil para prover água para consumo.
Nessa metodologia incluiu-se a elaboração de uma ferramenta (software) que permite a concessionária dimensionar sistemas de bombeamento com geradores fotovoltaicos de menor custo. Tem enorme potencial de aplicação no Semiárido onde existe uma grande quantidade de poços e as redes de distribuição de energia elétrica estão distantes desses
mananciais. Pode beneficiar ainda órgãos públicos de fornecimento de água e diretamente os usuários, que podem utilizar estes arranjos em suas propriedades, no lugar de sistemas diesel. Nesse sentido, preenche uma lacuna no planejamento da distribuição de energia elétrica no Brasil, haja vista que poucos estudos foram dedicados ao tema e não há esforço conhecido das concessionárias de distribuição para institucionalizar este procedimento nos seus processos de planejamento.
O uso de equipamentos nacionais para bombeamento com sistemas de geração fotovoltaica representa adicionalmente uma oportunidade para ampliação do mercado de produção/comercialização de equipamentos - motobombas e conversores de frequência - e de prestação de serviços, notadamente na região do Semiárido nordestino, onde, em grande parte das vezes, a utilização de poços representa a única alternativa de suprimento de água. Se por um lado estes sistemas já foram implantados em projetos governamentais, sobretudo fazendo uso de bombas de corrente contínua importadas, não há experiências sistemáticas de utilização da configuração CF + motobombas trifásicas de fabricação nacional. Portanto, este projeto teve como desafio avaliar a viabilidade técnica e econômica em campo da inserção da proposta tecnológica no ambiente do serviço ofertado pela distribuidora, com base na implantação de sete sistemas de bombeamento na região semiárida do estado de Pernambuco.
4. DESENVOLVIMENTO DE FERRAMENTA PARA DIMENSIONAR SISTEMAS DE
BOMBEAMENTO
O dimensionamento e otimização de um sistema fotovoltaico de bombeamento de água é uma tarefa complexa, devido principalmente à interdependência não linear dos requisitos hidráulicos e elétricos dos equipamentos que o compõem. Este fator dificulta a compreensão do comportamento e desempenho funcional do sistema como um todo, forçando, por exemplo, a maioria dos fabricantes de bombas “fotovoltaicas” proporem os seus próprios métodos de configuração do sistema, ou ferramentas gráficas para avaliar a produção da sua bomba durante um dia de funcionamento. Porém, eles não explicam como o equipamento irá se comportar em condições reais, de acordo com as variações dos parâmetros do poço ou variações do recurso solar.
Buscou-se criar um método que agregasse praticidade a essa tarefa sem necessariamente referenciar todas as nuances do processo de dimensionamento, o que
resultou na elaboração de uma ferramenta de otimização de trabalho, através de um software e, para tanto, fez-se necessário criar o algoritmo que determinou o funcionamento do software. Considerou-se as variáveis relacionadas ao método prático de dimensionamento do sistema de bombeamento fotovoltaico, descrevendo o algoritmo capaz de determinar os principais parâmetros que deverão ser atendidos pelos equipamentos.
As principais variáveis de contorno de um projeto de bombeamento de poços artesianos, independentemente da fonte de energia a ser usada, são as relacionadas ao circuito hidráulico. Através delas pode-se determinar a maior parte dos equipamentos do sistema de bombeamento solar. Ademais, é necessário conhecer as necessidades de água e o seu uso final. Foram consideradas as seguintes variáveis: vazão a ser extraída do poço, vazão de recarga do poço pelo aquífero, volume do tanque de armazenamento, nível estático entre a superfície do solo e a altura constante do lençol freático, nível dinâmico entre a superfície do solo e a altura máxima variável do lençol freático, altura do reservatório da superfície do solo até a entrada de água do reservatório, perda de carga na tubulação e conexões expressa em altura manométrica, ou seja, altura manométrica total.
Entre as variáveis do sistema motobomba foram consideradas, as variáveis do motor (tipo de alimentação c.c. ou c.a., fases da tensão de alimentação aplicáveis aos motores c.a., tensão nominal de operação, rendimento do motor, potência elétrica); as variáveis de bomba (rendimento da bomba, potência hidráulica, altura manométrica máxima).
As variáveis do conversor de frequência consideradas foram as fases da tensão de alimentação aplicáveis a motores c.a., tensão nominal de operação, potência elétrica e se o controlador seria PI ou PID, enquanto do gerador fotovoltaico levou-se em conta sua potência, corrente de curto-circuito, tensão de circuito aberto, corrente de máxima potência, tensão de máxima potência e a temperatura nominal de operação.
Em síntese, as entradas do algoritmo foram a quantidade de água diária a ser extraída do poço, a altura manométrica total e a irradiação média diária do local no plano do gerador fotovoltaico, enquanto os resultados apresentados após a computação foram a energia hidráulica, energia elétrica consumida pelo sistema motobomba e potência do gerador fotovoltaico.
5. DIMENSIONAMENTO E PARAMETRIZAÇÃO DOS SISTEMAS
O dimensionamento dos sistemas foi realizado seguindo a metodologia descrita acima, foram dimensionados sistemas para atender os 7 poços selecionados pela CELPE, conforme características da Tabela II.
Devido às especificidades deste projeto, foi dada uma atenção aos CF da marca WEG, pois estes foram exaustivamente testados e comparados a outros CF em laboratório, onde ficou comprovada a sua melhor performance para o bombeamento e robustez (Brito, 2006).
A parametrização e os ensaios têm por objetivo a otimização do acoplamento de geradores fotovoltaicos a motores de corrente alternada através de conversores de frequência comerciais. Como nessa configuração todo o controle do sistema é feito pelo CF, a parametrização permite informar ao CF em que condições ele vai operar.
Os sete sistemas foram dimensionados em função de sua altura manométrica (m), da capacidade de bombeamento de cada poço (m3/h) e uma irradiação global diária média de 5 kWh/m2.dia, a Tabela II apresenta a configuração de cada sistema implantado.
Para cada sistema foi especificado um quadro elétrico com conversores de frequência, DPS e disjuntores. Os conversores de frequência utilizados são do modelo CFW08 e foram parametrizados de acordo com as recomendações de Brito & Zilles (2006).
As motobombas foram caracterizadas em bancada de ensaio do Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos nas alturas manométricas previstas para operação em campo.
Tabela II. Configurações dos sistemas fotovoltaicos de bombeamento.
PP HT CP QPJ PG PMB PCF Localidade m (m) m3/h m3/d Wp CV CV Jatobá de Cima 36 39 1,4 4 600 0,5 1 Carnauba 40 61 1,2 6 900 0,7 1 Angico Grande 33 39 2,9 14 900 0,7 1 Lagoinha 40 65 1,4 6 900 1,0 1 Papagaio 31 40 5,5 19 1.800 1,5 2 Paus Pretos 40 44 4 16 1.800 1,5 2 Serrinha 40 53 4,8 15 1.800 1,5 2 PP – Profundidade do poço PG – Potência do gerador fotovoltaico
HT – Altura mamométrica total PMB – Potência da motobomba
CP – Capacidade do poço PCF – Potência do conversor de frequência
6. AVALIAÇÃO DE IMPACTOS ECONÔMICOS E SOCIOAMBIENTAIS E
QUANTIFICAÇÃO DAS EMISSÕES EVITADAS DE CO
2A avaliação socioambiental ficou a cargo da equipe da Universidade Federal de
Pernambuco e visou descrever o perfil socioeconômico e ambiental das localidades
onde foram implementados os sistemas de bombeamento fotovoltaico, a fim de
levantar e analisar os impactos relacionados com a implantação do projeto, bem
como propor medidas de gestão para minimizar efeitos significativos negativos e
ampliar os benefícios dos positivos. Essa avaliação foi realizada em dois momentos:
ex ante a implantação dos sistemas, em maio de 2013, e ex post, em agosto de
2014, sete meses após o início do funcionamento dos sistemas (
CBEM, 2010; CBEM, 2012)).
O levantamento e avaliação das condições/impactos socioambientais adotou
como metodologia para avaliação de impacto o Método das Matrizes de Interação,
com as adequações necessárias, considerando as particularidades do projeto no
que se refere às atividades a serem desenvolvidas nas suas fases de instalação e
operação.
A identificação prévia dos principais impactos ambientais através do método
checklist, utilizou como critério a interrelação entre os elementos/aspectos
ambientais (diagnóstico) com relação às ações geradoras de impactos tendo como
referência os Indicadores Socioambientais (ISA) estabelecidos no Manual do
Programa de Pesquisa e Desenvolvimento do Setor de Energia Elétrica (ANEEL,
2008), descritos a seguir:
Para avaliar a ocorrência de impactos significativos positivos e negativos, bem
como a implementação de medidas de gestão propostas foram efetuadas
observação em loco e entrevistas com os beneficiários do projeto. Em decorrência
do pouco tempo de operação dos sistemas (sete meses), ou em função da
complexidade para o registro de suas evidências, alguns impactos não foram
observados em agosto/2014, por exemplo, o impacto de salinização do solo devido a
práticas inadequadas de irrigação, que devem ocorrer a médio e longo prazo e
necessitam de confirmação por análises agronômicas.
O levantamento inicial indicou que as expectativas da população se
concentravam no aproveitamento da água para ampliar a agriultura e a criação de
animais, conforme apresentado na Tabela III.
Os principais resultados socioambientais são os seguintes:
Aumento da oferta e melhoria no acesso à água para consumo humano;
Incremento nas atividades de agricultura e pecuária que contribuíram com o
aumento na renda da maior parte das famílias beneficiadas com o projeto;
Melhoria nas condições de saneamento básico com benefícios para os
aspectos de saúde pública para a comunidade rural atendida
Desta forma, a análise de impactos efetuada neste estudo aponta, em geral,
para uma resposta positiva quanto à viabilidade socioambiental do Projeto.
Tabela III - Resultados obtidos quanto às expectativas dos beneficiários do projeto.
Localidade Expectativa inicial Resultado
Jatobá Ampliar a agricultura. Atendida parcialmente. Carnaúbas Ampliar agricultura e a criação de animais Atendida com sucesso. Angico Grande Ampliar agricultura e a criação de animais Atendida
Lagoinha Ampliar agricultura e a criação de animais Atendida Papagaio Ampliar a criação de animais Atendida Paus Pretos Ampliar a criação de animais Atendida com sucesso.
Serrinha Consumo doméstico. Atendida
Além da avaliação de impactos foi estimado o volume de redução de emissões de gases de efeito estufa com a implantação de sistemas de bombeamento fotovoltaico e discutida a possibilidade do desenvolvimento de um projeto para a obtenção de créditos de carbono, no âmbito do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), decorrentes das atividades do P&D e a replicabilidade da captação destes créditos através de um Programa de Atividades (PoA), mecanismo do MDL, em caso da implantação de um programa de bombeamento fotovoltaico em Pernambuco (MCT, 2008; MCT, 2009).
Em função do perfil do projeto, de pequena escala, foi selecionada a metodologia AMS.I.B (Mechanical energy for the user with or without electrical energy). Foram revisadas
as últimas versões da metodologia AMS.I.B, aplicável a projeto de pequena escala de produção de energia mecânica pelo próprio usuário com ou sem produção de energia elétrica, e as ferramentas complementares, a exemplo da usada para calcular o fator de emissão de um sistema elétrico. Algumas simulações foram construídas a partir das informações disponíveis relativas aos custos para o desenvolvimento de projeto MDL e preços das RCEs no mercado de carbono, e os resultados encontrados indicaram uma desfavorável relação benefício/custo para o desenvolvimento de um projeto de MDL específico para o caso do bombeamento no Nordeste.
Esse exercício de cálculo das emissões evitadas do projeto foi proposto no escopo deste P&D na perspectiva de que no estado de Pernambuco havia cerca de 6.000 poços sem energia e uma boa parte deles poderia ser eletrificada com sistemas fotovoltaicos, substituindo geradores com combustíveis fósseis. Assim, se metade desses poços (3.000) fossem energizados com tecnologia fotovoltaica, o volume de emissões evitadas somaria 6.099 tCO2/ano e receita anual de R$ 7.318,00, o que ainda é muito pouco em face aos custos para elaborar e validar um projeto PDD.
Uma alternativa seria usar o instrumento do agrupamento (Program of Activities – PoA), instrumento que permite reunir projetos de pequena escala por um único proponente (neste caso, poderia ser o Governo de Pernambuco, a CELPE ou outro órgão) e simplifica e barateia o desenvolvimento do documento de concepção do projeto - DCP, processo de validação e o registro dos projetos candidatos ao MDL. Assim o projeto de eletrificação de poços com sistemas solar poderiam compor um portfólio com outros projetos de pequena escala (somados não podem ultrapassar os 15 MW) que reduzam/evitam emissões de CO2.
7. Monitoramento do Desempenho Operacional
Após a inspeção técnica das obras civis, da instalação dos equipamentos em campo e do comissionamento dos sete sistemas de bombeamento fotovoltaico, foram realizados monitoramentos periódicos do desempenho operacional e do grau de utilização da água nas comunidades beneficiadas.
O monitoramento do projeto tem basicamente duas frentes, uma delas busca aferir a operacionalidade dos equipamentos e a outra faz o acompanhamento da apropriação dos sistemas por parte dos usuários, ou seja, do consumo de água, das formas de utilização da água, da importância e dos cuidados que os usuários dispensam aos sistemas. São feitos
os registros dos dados dos hidrômetros analógicos e aplicado um questionário básico sobre a utilização da água, além de conversas informais com os usuários de cada comunidade.
Constatou-se que, de um modo geral, os sistemas de bombeamento funcionaram adequadamente, o volume médio diário bombeado no projeto é de cerca de 2.500 litros por dia, diferindo grandemente entre as comunidades, conforme mostra a Figura 1.
Figura 1. Volume médio diário bombeado por comunidade.
8. CONCLUSÕES: REPLICABILIDADE E RELEVÂNCIA DO PROJETO
A configuração implantada, condicionamento de potência e motobomba de fabricação nacional, teve sua operação e aplicabilidade demonstrada e poderá ser utilizada em futuras instalações proporcionando incremento do conteúdo nacional em sistemas fotovoltaicos de bombeamento. Além disso, a configuração testada e avaliada tem como particularidade a facilidade de substituição e manutenção, pois os equipamentos mais críticos, motobomba e conversor de frequência, são encontrados facilmente no mercado de reposição.
A configuração implantada utilizou uma parametrização do conversor de frequência desenvolvida pelo Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos do Instituto de Energia e Ambiente (LSF-IEE/USP), situação que restringe sua aplicação devido à necessidade de recorrer a este Laboratório para programar o conversor de frequência. No entanto, durante a execução
do projeto, esta barreira foi objeto de estudo do LSF-IEE/USP no âmbito de sua cooperação com o fabricante de conversores de frequência, a empresa WEG.
Como resultado dessa interação o fabricante do CF utilizado incluiu as instruções de parametrização no manual do usuário. Neste caso, substituindo o produto CFW08, utilizado no projeto, pelo novo CFW500, eliminando assim, a dependência quanto à parametrização. Com isso a principal barreira para a replicabilidade da tecnologia proposta está equacionada e os resultados do projeto, além de demonstrar a aplicabilidade técnica da configuração com equipamentos nacionais, contribuíram para o estabelecimento de uma opção altamente replicável para energização de sistemas para fornecimento de água.
A avaliação socioambiental do Projeto concluiu que os principais resultados foram:
aumento da oferta e melhoria no acesso à água para consumo humano;
incremento nas atividades de agropecuárias que contribuíram com o aumento na renda da maior parte das famílias beneficiadas com o projeto;
melhoria nas condições de saneamento básico;
Desta forma, a análise de impactos efetuadas neste estudo aponta, em geral, para uma resposta positiva quanto à viabilidade socioambiental do Projeto, seja pelo estímulo ao uso de fontes alternativas de energia, ou seja, pela melhoria da qualidade de vida das comunidades rurais.
Constata-se que o aumento da oferta e melhoria do acesso à água teve grande relevância para o incremento da qualidade de vida das famílias beneficiadas pelo projeto.
A disponibilidade de água para uso humano, produção animal e agricultura irrigada ao longo do ano propicia uma maior comodidade para a realização das tarefas domésticas e produtivas, possibilita um incremento da renda e, principalmente, assegura a fixação da população na terra, mesmo em períodos de seca.
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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