CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
IGOR HENRIQUE SANTOS DA ROSA
TURBINAS INSTALADAS DENTRO DE TUBULAÇÕES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA
Santa Rosa 2020
TURBINAS INSTALADAS DENTRO DE TUBULAÇÕES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA
Projeto de pesquisa apresentado como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Orientador: Prof. Dr João Manoel Lenz Vianna da Silva
SANTA ROSA 2020
IGOR HENRIQUE SANTOS DA ROSA
TURBINAS INSTALADAS DENTRO DE TUBULAÇÕES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO ELETRICISTA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e
pelo membro da banca examinadora.
Banca Examinadora:
________________________________________ Prof. Luis Sauthier
________________________________________ Prof. Dr. João Manoel Lenz Vianna da Silva
“"Tudo quanto fizerdes, por palavra ou por obra, fazei-o em nome do Senhor Jesus, dando por ele graças a Deus Pai."
Colossenses 3:17(Bíblia Sagrada Ave Maria)
AGRADECIMENTOS
Primeiramente quero agradecer ao professor Prof. Dr João Manoel Lenz Vianna da Silva pela disponibilidade de tempo para auxiliar no desenvolvimento do projeto e principalmente não me deixar desistir.
Á minha namorada por sempre, com muito amor, me motivar e sempre entender os momentos de ausência na realização da graduação.
Aos meus pais que me ensinaram o caminho da vida e se esforçaram muito para a concretização desse sonho.
A minha irmã, aos meus avós e familiares que torcem sempre por mim e estão sempre ao meu lado.
Aos professores do curso de Engenharia Elétrica pela dedicação e empenho no ensino.
Aos funcionários da empresa CORSAN, que me receberam dispostos a ajudar com informações e contribuições de grande valia para o projeto.
Aos amigos, em especial o grupo de jovens Amigos Pela Fé, que sempre estiveram em oração por mim para que hoje possa estar concluindo mais uma etapa. E principalmente a Jesus, por me guiar na fé e na esperança de tornar-me um profissional ético que busca um mundo melhor.
O consumo e a necessidade do uso de energia elétrica têm crescido de forma significativa e tende a aumentar. Com isto, a busca por alternativas de geração de energia elétrica com alta eficiência, confiabilidade e baixo impacto no meio ambiente, é um desafio para engenheiros e pesquisadores da área. A força da água tem sido utilizada como uma fonte confiável, barata e de grande rendimento em geração de energia elétrica, sendo utilizadas em usinas nuclear, termelétrica, hidrelétrica e PCHs. Entretanto essas fontes causam um impacto significativo na natureza. As fontes de energia renováveis, como solar e eólica, estão crescendo devido a facilidade de as pessoas instalarem suas próprias fontes geradoras em sistemas residenciais e comerciais. Porém, a confiabilidade desses sistemas ainda é baixa pois dependem de boas condições climáticas, o que não pode ser gerenciado de acordo com a demanda. O sistema de distribuição de água é um alvo a ser estudado para geração de energia elétrica, tendo em vista que há muito potencial que ainda não é aproveitado, devido a energia cinética da água que corre pelos dutos de distribuição. Na cidade de Portland, no estado norte-americano do Oregon, a empresa LucidEnergy desenvolveu um sistema de geração de energia elétrica, utilizando a força da água que passa pelos dutos de distribuição, chamado “Conduit 3 Hydroeletric Project”. Esse sistema é livre de emissor de gases poluentes, não devasta áreas com alagamentos, não interfere na rota de animais aquáticos, não tem componentes tóxicos e não necessita de condições climáticas favoráveis. Este trabalho busca realizar um estudo de viabilidade e de caso para implementação de um sistema similar em cidades no Estado do Rio Grande do Sul
Palavras chaves: Fontes alternativas, sistema de distribuição de água, geração
ABSTRACT
The consumption and need of electricity have grown significantly and are likely to continue to increase in future years. Thus, the search for alternatives of electric power generation with high efficiency, reliability and low impact on the environment is a challenge for engineers and researchers in the area. The power of water has been used as a reliable, inexpensive, and highly efficient source of electricity generation, being used in nuclear, thermal, hydroelectric and SHPPs. However, these sources have a significant impact on the environment. Renewable energy sources, such as solar and wind, are growing every day due to the ease of people installing their own generating sources in residential and commercial systems. Notwithstanding, the reliability of these systems is still low as they depend on good climatic conditions, which cannot be managed according to demand. The water distribution system is an alternative target to be studied for electricity generation, considering that there is a lot of potential that is not being used today due to the kinetic energy of the water that flows through the distribution ducts. In the city of Portland, in the US state of Oregon, the company LucidEnergy developed a system for generating electric energy using the force of the water that passes through the distribution ducts, called “Conduit 3 Hydroeletric Project”. This system is free of polluting gas emitter, does not devastate areas with flooding, does not interfere with the route of aquatic animals, has no toxic components and does not require favorable climatic conditions. This work aims to develop a viability analysis and case study of a similar system to be applied in the Rio Grande do Sul state, in Brazil.
Key words:Alternative sources, water distribution systems, hydropower generation, LucidPiper Power System.
Figura 2: Fluxo de potência do gerador CC...22
Figura 3: Relação de vazão de fluido com área e velocidade...24
Figura 4: Corte de uma máquina CC...25
Figura 5: Conjunto da armadura...26
Figura 6: Detalhes do conjunto comutador-escova...27
Figura 7: Circuito representativo de um inversor meia onda quadrada...30
Figura 8: Gráfico de um inversor meia onda quadrada...30
Figura 9: Topologias de inversor em ponte completa e em semiponte...31
Figura 10: Diagrama esquemático de conversor multinível do tipo cascata...31
Figura 11: Passos de conversão em geradores rotativos...32
Figura 12: Modelos de turbinas hidrelétricas...33
Figura 13 - Sistema LucidPipe™ Power System...35
Figura 14 – Detalhe da turbina e do gerador...35
Figura 15 – Demonstração de desnível e de perda de pressão...37
Figura 16 – Disposição dos equipamentos...38
Figura 17 - Fluxograma de abastecimento de água...40
Figura 18 – Estação de Tratamento II de Santa Rosa...42
Figura 19 – Tipos de topografia...44
Figura 20 – Diâmetro das tubulações com a potência gerada...45
Figura 21 – Gráfico da potência a partir do diâmetro...46
Figura 22 – Relação vazão x diâmetro...46
Figura 23 – Relação potência x vazão...47
Figura 25 – Ponto de estudo I...50
Figura 26 – Gráfico de desnível entre a ETA e a VRP...50
Figura 27 – Gráfico de vazão da zona baixa...52
Figura 28 – Sistema de água Moinhos de Vento Porto Alegre...56
Figura 29 - Sistema Moinhos de Vento com subsistemas...56
Figura 30 – Desnível da Av. Independência...57
Figura 31 – Gráfico da vazão Moinhos de vento...58
Figura 32 – Geração por horário...58
Figura 33 – Hydrospin...63
Tabela 1: Consumo anual de eletricidade no Brasil (GWh)...19
Tabela 2: Consumo anual de eletricidade na região Sul do Brasil (GWh)...19
Tabela 3 – Parâmetros dos modelos de LPPS...36
Tabela 4 – Altura mínima de cada modelo pela quantidade de turbina...37
Tabela 5 – Dados de pressão extraída...38
Tabela 6 – Estação de bombeamento Moinhos de Vento...60
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANEEL – Agencia Nacional de Energia Elétrica
CCEE – Câmara de Comercialização de Energia Elétrica CORSAN – Companhia Riograndense de Saneamento EBAB - Estações de Bombeamento de Água Bruta EPE – Empresa de Pesquisa Energética
ETA – Estação de Tratamento de Água f.e.m – Força eletromotriz
KW – Quilowatt
LPPS – LucidPipe™ Power System m.c.a – Metros de coluna d’água MME – Ministério de Minas e Energia NBR – Norma Brasileira
NOS – Operador Nacional do Sistema Elétrico P&D – Pesquisa e Desenvolvimento
PCH – Pequena Central Hidrelétrica PEE – Programa de Eficiência Energética ROL – Receita Operacional Líquida
SAA – Sistemas de Abastecimento de Água SIN – Sistema Interligado Nacional
SNIS – Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento VRP – Válvula Redutora de Pressão
1.1 OBJETIVO GERAL... 15
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 15
1.3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 16
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 16
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18
2.1 SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO ... 18
2.1.1 Projeção do consumo de energia elétrica no Brasil ... 18
2.1.2 Projeção de geração de energia elétrica no Brasil ... 20
2.2 HISTÓRIA DA CONVERSÃO ELETROMECÂNICA ... 21
2.3 CONVERSÃO ELETROMECÂNICA ... 22
2.3.1 Energia mecânica de fluidos ... 23
2.4 GERADOR ... 24 2.4.1 Rotor ... 25 2.4.2 Conjunto comutador-escova ... 27 2.4.3 Estator ... 28 2.4.4 Tensão do gerador ... 28 2.5 INVERSOR CC/CA... 29 2.6 TURBINAS HIDRÁULICAS ... 32
3 TURBINAS ESFÉRICAS INSTALADAS DENTRO DA TUBULAÇÃO DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA ... 34
3.1 FORMA DE INSTALAÇÃO ... 36
3.2 PERDAS DE PRESSÃO NO LPPS ... 38
3.3 PROJETOS JÁ REALIZADOS ... 39
4 SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA ... 40
4.1 DISPOSITIVOS DE REDUÇÃO DE PRESSÃO (VRP) ... 44
5 ESTUDO DE CASO ... 45
5.1 DIMENSIONAMENTO ... 45
5.1.1 Rendimento ... 47
5.2 ESTUDO DE CASO SANTA ROSA ... 49
5.2.1 Relação de água em relação a população ... 53
5.3 ESTUDO DE CASO PORTO ALEGRE (SISTEMA MOINHOS DE VENTO) ... 55
5.3.1 Local de estudo ... 57
5.3.2 Calculo do sistema ... 57
5.4 VIABILIDADE ... 60
5.4.1 Consumo elétrico ... 60
5.4.2 Viabilidade financeira ... 61
5.4.3 Viabilidade Ambiental ... 62
5.5 TURBINAS IN-PIPE DE PEQUENO PORTE ... 62
5.5.1 Hydrospin ... 63
5.5.2 Hydrocoil ® Turbine... 64
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 65
6.1 CONCLUSÕES ... 65
6.2 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ... 66
Referência Bibliográfica ... 67
ANEXOS ... 69
ANEXO A - Estudo de caso de Portland ... 69
1 INTRODUÇÃO
Estudos realizados pelo Ministério de Minas e Energia, apontam um crescente consumo de energia elétrica no Brasil. Junto com a necessidade de desenvolver tecnologias que diminuam a poluição ambiental e gerem energia elétrica com eficiência e baixo custo. O Brasil faz parte de um grupo de 15 países que são responsáveis por 70% da emissão de gases (CO2) no planeta (Fonte: Global Carbon
Atlas), isso torna necessário a implementação de mais fontes renováveis para diminuir a emissão de gases do país.
A cogeração é um modelo visado por pesquisadores da área de energia elétrica, tendo em vista energias que podem ter melhor aproveitamento. Utilizar o sistema de distribuição de água, os chamados in-pipe, para gerar energia elétrica é um estudo recente que vem demonstrando eficácia em suas instalações.
A força da água tem sido utilizada como uma fonte confiável, barata e de grande rendimento em geração de energia elétrica, sendo utilizadas em usinas nucleares, termelétrica, hidrelétrica e PCHs (Pequenas Centrais Hidrelétricas). Entretanto, essas fontes causam um impacto significativo na natureza. Devido a esses problemas ambientais, o governo Brasileiro já está colocando em pauta na câmara de deputados proibições de criação de novas usinas deste modelo, como a lei 1486/19 (Fonte: Agência Câmara de Notícias).
As fontes de energia renováveis, como solar e eólica, estão crescendo a cada dia devido a facilidade de as pessoas instalarem suas próprias fontes geradoras. Porém, a confiabilidade desses sistemas ainda é baixa, pois dependem de boas condições climáticas, não podendo ser gerenciado de acordo com a demanda da rede. O sistema de distribuição de água é um alvo a ser estudado para geração de energia elétrica, tendo em vista que há muito potencial que hoje não é aproveitado e pode ser melhor ocupado.
Nos Estados Unidos da América, a empresa LucidEnergy desenvolveu um sistema de geração de energia elétrica utilizando a força da água que passa pelos dutos de distribuição, chamado “LucidPiper Power System”. Esse sistema foi instalado
em duas cidades americanas e vem apresentando um alto rendimento, tanto na parte financeira, quanto no auxílio da rede elétrica local.
Devido ao sistema norte-americano ser instalado em locais onde está implantado tubulações de distribuição água, torna o sistema livre de criar impactos ambientais, alagamentos, não interfere na rota de animais aquáticos como as hidrelétricas e PCHs. A geração é livre de emissores de gases poluentes e de qualquer tipo de material combustível e descartável, não dependendo de condições climáticas favoráveis. Tornando um sistema de geração limpo, de alta confiabilidade.
A geração distribuida vem mostrando um auxilio significativo para o sistema elétrico brasileiro, devido a esses sistemas serem conectados próximos aos locais de consumo. Analizar implantação de novos sistemas no Brasil, se faz nescessário para preparar o país para os avanços tecnologicos quem vem mostrando eficacia no setor elétrico.
1.1 OBJETIVO GERAL
Analisar o contexto do sistema energético brasileiro visando a implantação do sistema de geração alternativa utilizando as tubulações de distribuição de água sem afetar a entrega de água aos consumidores.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Revisar a bibliografia sobre geradores;
• Revisar a bibliografia sobre a expansão da matriz energética brasileira e mundial;
• Revisar a bibliografia sobre inversores CC/CA;
• Analisar a viabilidade da implementação do sistema no Brasil; • Revisar bibliografia sobre mecânica dos fluidos;
• Buscar normas técnicas referentes ao tema;
1.3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
A fim de desenvolver este trabalho, as etapas seguidas com o objetivo de obter os resultados finais. A seguir é apresentada a sequência de procedimentos adotados para que o desenvolvimento deste estudo se tornasse possível:
1. Estudo da literatura, para obtenção de informações que pudessem ser relevantes para o desenvolvimento deste estudo. Informações sobre o sistema a ser aplicado, informações gerais da matriz energética atual brasileira e sistemas de turbinas hidráulicas.
2. Coletar informações referentes ao consumo de eletricidade no Brasil e o consumo de energia elétrica nos mais variados setores, e a perspectiva de necessidade de geração de energia elétrica.
3. Coletar dados da companhia de saneamento analisada, informações relevantes ao estudo, como definição dos pontos de estudo, parâmetros como vazão, pressão, diâmetro nominal e altura manométrica de tubulações, assim como outras informações que se julguem necessárias para desenvolvimento do estudo.
4. Analisar as informações obtidas na análise de dados e verificar a viabilidade da instalação do sistema.
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO
Capítulo 1 - INTRODUÇÃO: O capítulo apresenta uma introdução ao tema
estudado, bem como os procedimentos adotados para o desenvolvimento do trabalho e objetivos a serem alcançados.
Capítulo 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA: Inicia-se o capítulo abordando
alguns estudos realizados por setores do Ministério de Minas de Energia, como aumento de consumo e necessidade de aumento de geração elétrica. Na sequência apresenta os princípios da conversão eletromecânica bem como conservação de energia e funcionamento de geradores de corrente contínua. Também é relatado o funcionamento de turbinas hidrelétricas existentes no Brasil.
Capítulo 3 - TURBINAS ESFÉRICAS INSTALADAS DENTRO DA TUBULAÇÃO DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA: Neste capítulo, analisa-se o
LucidPiper Power System, apresentando as informações necessárias para estudos e fazendo uma análise de sistemas já instalados do exterior.
Capítulo 4 - SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA: Apresenta as partes
que compõe o sistema de tratamento de água detalhando todo o procedimento que a água faz para chegar até os consumidores
Capítulo 5 - ESTUDO DE CASO: Analisa a implementação do sistema em
duas cidades brasileiras, apresentando os dados de cada local bem como, vazão, população, diâmetro das tubulações. Apresenta também a viabilidade do sistema para a concessionária de água e para a população local.
Capitulo 6 - CONSIDERAÇÕES FINAIS: Contém uma revisão de todo o
projeto apresentado os pontos positivos e negativos encontrado durante o estudo do sistema.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO
O sistema elétrico brasileiro se divide em três partes: geração, transmissão e distribuição. O setor elétrico funciona com uma estrutura desverticalizada, ou seja, cada parte do sistema é controlado por diferentes empresas.
As companhias de geração vendem a energia gerada por um valor comprado em leilão pela Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE). Após isso as empresas de transmissão e distribuição levam a energia até os consumidores com preços regulamentados pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL).
Conforme a demanda do Sistema Interligado Nacional (SIN) varia, o custo da energia elétrica também se altera. São formuladas bandeiras tarifárias, isto é, quanto mais custoso for a geração, a tarifa de energia elétrica sofre acréscimo (SGT - publicado: 24/11/2015; ANEEL).
Após abril de 2012, a Resolução Normativa ANEEL nº 482/2012, passou a permitir que os consumidores brasileiros possam gerar sua própria energia de forma renovável e conectar na rede da concessionária gerando crédito de energia. Esse modelo começou a gerar economia financeira para os consumidores. Esses modelos de sistemas são chamados de microgeração e minigeração. Microgeração são sistemas com geração de até 75KVA e minigeração entre 75KVA e 5MVA. (Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL; resolução normativa nº 482, de 17 de abril de 2012).
Esses sistemas de produção própria utilizando fontes renováveis, diminuem a necessidade de geração de grandes usinas que utilizam combustíveis fósseis e auxilia o SIN com a centralização de geração, o que melhora a confiabilidade do sistema. 2.1.1 Projeção do consumo de energia elétrica no Brasil
O consumo da energia elétrica no Brasil tem crescido de forma significativa, conforme apresenta do PDE2026(Projeção da Demanda de Energia Elétrica). A tendência ao uso de eletricidade na indústria, comércio e residência está se tornando
cada vez mais, devido ao aumento dos sistemas automatizados que necessitam de eletricidade com alta confiabilidade.
Estudos feitos pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) em 2017, apontam que o consumo de eletricidade no Brasil poderá ter um aumento médio de 3,6% ao ano entre 2016 e 2026, que pode ser analisado de forma detalhada na Tabela 1.
Tabela 1: Consumo anual de eletricidade no Brasil (GWh)
Ano Residencial Industrial Comercial Outros Total 2016 132,611 163,758 88,165 74,981 459,515 2017 136,018 165,268 90,083 77,249 468,618 2018 140,681 168,706 93,192 79,983 482,562 2019 145,773 172,514 96,758 82,984 498,029 2020 151,704 177,320 100,810 86,424 516,258 2021 158,008 185,916 105,045 90,103 539,072 2022 164,613 195,531 109,485 93,932 563,561 2023 171,529 201,372 114,181 97,981 585,063 2024 178,778 207,087 119,147 102,261 607,273 2025 186,262 212,836 124,337 106,718 630,153 2026 193,990 218,829 129,758 111,357 653,934
Fonte: Nota Técnica DEA 001/17 – Projeção da Demanda de Energia Elétrica para os próximos 10 anos (2017—2026) - página – 58(Tabela 16)
Ainda segundo a PDE 2026, a região sul do Brasil, tem uma perspectiva similar de crescimento de consumo de 3,5% ao ano neste mesmo período, sendo 17,68% da carga total do Brasil apresentado na Tabela 2.
Tabela 2: Consumo anual de eletricidade na região Sul do Brasil (GWh)
Ano Residencial Industrial Comercial Outros Total
2016 20,612 30,492 14,497 15,663 81,264 2017 21,306 30,647 14,778 16,104 82,835 2018 22,146 31,128 15,264 16,670 85,208 2019 23,047 31,740 15,842 17,304 87,933 2020 23,995 32,566 16,488 18,063 91,112 2021 25,078 33,443 17,163 18,871 94,555 2022 26,220 34,372 17,869 19,716 98,177 2023 27,439 35,312 18,606 20,617 101,974 2024 28,742 36,280 19,375 21,578 105,975 2025 30,118 37,165 20,177 22,583 110,043 2026 31,571 38,123 21,014 23,633 114,341
Fonte: Nota Técnica DEA 001/17 – Projeção da Demanda de Energia Elétrica para os próximos 10 anos (2017—2026) página – 61(Tabela 20)
Estudos realizados no início de 2019 pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) juntamente com a EPE, mantém este crescimento médio de aproximadamente 3,8% ao ano entre 2019 a 2023, sendo eles, 4% no comércio, 3,9% para residências e 3,2% no sistema industrial. O documento levou em consideração um crescimento do PIB brasileiro de 2,7% ao ano.
2.1.2 Projeção de geração de energia elétrica no Brasil
Segundo dados da ANELL, o Brasil encerrou em 2019, com uma capacidade de quase 170mil MW instalados no SIN (Publicado por AID em 10/01/2020; ANEEL - http://bit.ly/35IP2Vo). A Figura 1, mostra a geração de energia elétrica no ano de 2019 de acordo com as fontes de energia.
Figura 1: Capacidade instalada no final de 2019 no SIN
Fonte: Plano Decenal de Energia 2029/Ministério de Minas de Energia. Empresa de Pesquisa energética. Brasília: MME/EPE 2020 p.66
Estudos realizados no Plano Decenal de Energia 2029 (PDE2029) sobre o aumento de carga entre 2019 e 2029, prevê que o investimento em geração e transmissão de energia elétrica, pode chegar a R$459 bilhões.
Atualmente o mundo está visando a descarbonização das matrizes energéticas, o objetivo dos sistemas elétricos é o aumento de geração com o uso de fontes renováveis. Hoje o Brasil tem 80% da energia gerada de fontes renováveis, com projeto para que chegue no mínimo 84% até o fim do decênio. Por mais que a maior parte da geração elétrica seja renovável, se dá por fontes não controláveis.
Um dos meios para a geração de altos consumidores (como empresas siderúrgicas) se dá na chamada cogeração qualificada, que foi estudado pela EPE em 2017 (Nota Técnica DEA 001/17). Visto que 35% do consumo industrial elétrico Brasileiro se dá pelas indústrias de alumínio, ferro ligas, pelotização, cobre, celulose e papel, soda-cloro, petroquímica e cimento.
Pode-se ter como exemplo as indústrias que produzem vapor. Elas instalam geradores nas pontas de suas caldeiras fazendo com que o calor utilizado para indústria, seja utilizada para geração própria.
2.2 HISTÓRIA DA CONVERSÃO ELETROMECÂNICA
Há mais de dois mil anos, na Grécia antiga, a força da água era utilizada para gerar energia para o homem. Através das rodas d’água rudimentares que era utilizado para transformar a força cinética da água em força mecânica, a população grega começou a usar esta força para facilitar e melhorar o trabalho da agricultura da época. Segundo Hobsbawm, Eric, no livro Era das Revoluções, na metade do século XVIII, foi desenvolvido na Inglaterra a máquina a vapor. Nesta época os cientistas começaram a se aprofundar em estudos de sistemas de conversão de energia.
Ainda segundo Hobsbawm, durante a revolução industrial no final do século XVIII e início IXX, a necessidade de motores eficientes foi crescendo, com isso cientistas norte-americanos e europeus, desenvolviam estudos científicos sobre motores e iniciava estudos aprofundados sobre eletricidade. Em 1800, o italiano Alessandro Volta, produzia a corrente contínua através da pilha que ele havia descoberto pela conversão de energia química em elétrica, construído com placas de prata e zinco.
No ano de 1820, temos o princípio da conversão eletromecânica, quando o físico dinamarquês, Hans Christian Oersted, conforme apresenta Alberto Gaspar, no
livro Física, volume único, Ática,2005. Oersted aplicou uma corrente elétrica perto de uma bússola, e a mesma se mexia em direção a corrente elétrica devido ao campo eletromagnético formado pela corrente que passava pelo fio. Essa foi a primeira vez que um movimento mecânico era formado por uma corrente elétrica. A partir deste momento começam a serem estudados formas de transformar eletricidade em energia mecânica, juntamente com o avanço dos estudos de relação de eletricidade e magnetismo.
No livro, The Forces of Matter, de Michael Faraday, apresenta o desenvolvimento do primeiro motor elétrico, na qual consistia em um fio suspenso em cima de um imã, dentro de um copo com mercúrio, quando aplicado uma corrente elétrica passava pelo mercúrio, fazia com que o fio girasse em torno do imã, induzindo um sistema de rotação. Apesar de rudimentar, esse foi o início de todos os motores elétricos que temos até os dias de hoje.
2.3 CONVERSÃO ELETROMECÂNICA
O princípio da conservação da energia, afirma que a energia não é criada nem destruída, ela apenas muda de forma "Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma" Lavoisier, Antoine (1743-1794). Este princípio é também utilizado para calcular as forças no processo de conversão eletromecânica.
É preciso ter um balanço energético, podendo ser equacionado analisando os fatores de transferência de energia. De uma forma ideal, o sistema gerador converte energia mecânica em energia elétrica na saída. Porém como pode ser observado na Figura 2, o diagrama de fluxo de potência mostra as perdas de um gerador elétrico.
Figura 2: Fluxo de potência do gerador CC
2.3.1 Energia mecânica de fluidos
Energia potencial é a capacidade de um corpo armazenar energia para realizar trabalho. A energia potencial gravitacional é uma energia associada ao estado de separação entre dois corpos que se atraem mutuamente através da força gravitacional. Desse modo, um corpo é elevado, transfere-se energia para ele na forma de trabalho (Fonte: Física- Mecânica,1º ano – 3. Ed. – São Paulo:FTD,2016 – Vários autores.).
Esta ideia é obtida através do princípio da lei da gravidade:
Dois corpos atraem-se por uma força que é diretamente proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa. – (Newton, Isacc 1643- 1727)
Não apenas os corpos sólidos, mas também os fluidos. O princípio de Newton abriu estudos para o matemático suíço Daniel Bernoulli (1700-1782), que desenvolveu estudos sobre energias internas dos fluidos.
Bernoulli em sua obra “Hidrodinâmica (1738)” define que os fluidos as sua energia em qualquer instante em um duto fechado contém três componentes: Energia cinética que é a energia da velocidade do fluido, energia potencial gravitacional que é a energia a partir da altitude do fluido e energia de fluxo, que é a energia do fluido devido à pressão.
A massa dentro de um duto permanece constante ao longo de todo o escoamento. A vazão medida em um ponto do tubo será igual em qualquer outro ponto dentro do tubo, mesmo que a área no tubo se altere.
Isso faz com que, à medida que diminuí a área do tubo, ocorre o aumento da velocidade mantendo a vazão do fluido. Com isso afirma-se que a velocidade do fluido é inversamente proporcional a área da seção a qual ele percorre.
A vazão(Q) se dá pelo produto da velocidade(v), área da seção transversal(A) e densidade do fluido(ρ) Equação (1).
𝑄 = 𝜌. 𝐴. 𝑣 (1) Devido a vazão e a densidade do fluido permanecer constante, a relação entre duas áreas diferentes pode se dar pela Equação (2).
𝐴1 ∗ 𝑣1 = 𝐴2∗ 𝑣2 (2)
A Figura 3 representa a relação de vazão de fluido com área e velocidade.
Figura 3: Relação de vazão de fluido com área e velocidade
Fonte: Adaptado de Google Imagens
2.4 GERADOR
Os geradores elétricos que utilizam a energia cinética rotacional, se dá pelo princípio básico do eletromagnetismo: “a força eletromotriz induzida em qualquer circuito fechado é igual ao negativo da variação do fluxo magnético com o tempo na área delimitada pelo circuito” (Faraday, Michael 1791-1867). Um condutor girando em um campo magnético produz uma tensão induzida, também chamada de f.e.m (força eletro motriz). Essa f.e.m ligada a uma carga produz uma corrente e assim se dá um circuito elétrico.
O valor da força eletromotriz depende de três fatores: o primeiro é a velocidade angular que é aplicada no eixo do rotor, quanto maior a velocidade, maior a tensão induzida. O segundo fator é a intensidade do campo magnético nos pólos do estator, onde aumentando a força do campo magnético aumentará a tensão induzida. O terceiro fator é o número de espiras do rotor, as quais cortam o campo magnético, quanto mais bobinas no rotor maior vai ser a tensão induzida.
Existem dois modelos de geradores que se diferenciam pelo tipo de corrente gerada, que são eles: os geradores de corrente alternada (CA) e os geradores de corrente contínua (CC).
O gerador CC é dividido em três partes: o rotor que é a parte móvel, o estator, que é a parte fixa, e o conjunto comutador-escova, que faz a ligação entre o gerador e a rede. A tensão e a corrente gerada, dependem diretamente da velocidade de rotação do eixo e do campo magnético no estator. Pode-se observar na Figura 4 as partes de uma máquina CC. (Umans, Stephen D. - Máquinas elétricas)
Figura 4: Corte de uma máquina CC
Fonte: Máquinas e acionamentos elétricos- Villar; Gileno José de Vasconcelos outubro/2006
2.4.1 Rotor
O rotor, também chamado de armadura, é a parte do gerador que recebe torque a partir do eixo que é acoplado na turbina para a rotação. Elas são divididas em dois tipos, o anel e o tambor. A armadura do tipo tambor é tida como modelo padrão.
A parte de ferro da armadura contém ranhuras aonde se enrola os fios da bobina. O modo com que elas são enroladas se dá conforme o número de pólos do estator. Quando o estator tem dois pólos, os lados da mesma bobina ficam em lados opostos, em uma distância de 180º, fazendo com que cada parte fique em um dos
pólos. Se o estator tiver quatro pólos, a distância das ranhuras a ser colocados é de um quarto de volta, 90º, assim também ficam em pólos opostos.
Os enrolamentos podem ser divididos quanto a multiplicidade dos enrolamentos, sendo eles ondulados ou imbicados.
Os imbicados, tem o número de caminhos paralelos igual aos números de pólos e escovas. Este modelo é dividido pela forma de enrolamento da bobina. O dos modelos simplex(simples) a extremidade de cada bobina é ligada no segmento adjacente do comutador, dessa forma, todas as bobinas ficam ligadas em série. O modelo duplex(duplo), tem duas bobinas independentes ligadas em paralelo nas escovas da máquina. O modelo multiplex, contém mais de duas bobinas independentes ligadas em paralelo nas escovas. É utilizado enrolamentos imbicados quando há necessidade de baixa tensão e alta corrente na máquina.
Enrolamentos ondulados, tem o número de caminhos paralelos igual a dois, independentemente do número de pólos. As extremidades de cada bobina são ligadas aos segmentos do comutador com dois pólos de intervalo. Dessa forma, ele exige que o comutador seja de duas escovas. Este modelo de ligação é utilizado para máquinas que exijam alta tensão e baixa corrente. Observa-se na Figura 5 as partes do conjunto da armadura.
Figura 5: Conjunto da armadura
2.4.2 Conjunto comutador-escova
O conjunto comutador-escova, é um sistema de chaveamento mecânico, que é acionado pela rotação mecânica do eixo da máquina. Consiste em duas partes, a parte móvel chamada de comutador, que é ligada nas extremidades das bobinas do rotor, e a parte fixa, chamada de escova, que irá fazer a ligação com a rede.
As escovas, tem a função de fazer um curto-circuito na bobina, quando ela estiver perpendicular ao campo do estator, quando a corrente é nula. Isso fará com que a f.e.m. (Força eletromotriz) induzida no condutor, inverta, mantendo o sentido da corrente para a mesa direção, ou seja, sua função é inverter simultaneamente as ligações ao circuito externo no mesmo instante em que é invertido o sentido da f.e.m em cada um lado da bobina.
O comutador contém lâminas de cobre de superfície lisa, separadas por material isolante. Ele é pressionado pelas escovas para dar o contato e a corrente fluir. Caso a pressão for insuficiente, o contato elétrico serra deficiente e ocorrerá centelhamento indesejável, e se a pressão for excessiva, irá ocorrer desgastes desnecessários. A Figura 6 representa o contato da escova com o comutador, juntamente com as partes mecânicas.
Figura 6: Detalhes do conjunto comutador-escova
2.4.3 Estator
O estator, é o responsável por produzir o campo magnético da máquina. Ele pode ser construído com imãs permanentes, tendo de um lado o polo norte e do outro o polo sul. Eles devem ter forma côncava, para que as linhas de campo fiquem distribuídas de forma uniforme no rotor.
Também pode ser construído com eletroímãs, sendo utilizado em geradores com maior potência, pois os eletroímãs produzem um campo magnético maior que imãs permanentes.
Geradores construídos com eletroímãs, são divididos conforme o modelo de ligação, são chamados de independentes e auto excitados. A corrente que passa pela bobina do estator é chamada de corrente de excitação.
Os geradores independentes, necessitam de uma fonte CC externa para a produção do campo magnético. Neste sistema, a corrente da armadura e do campo são independentes, isso possibilita o controle da tensão de saída, pois o campo pode ser controlado devido a corrente de excitação na armadura ser externa.
Já os geradores auto excitados, não necessitam de uma fonte CC externa, pois a corrente gerada na armadura também é usada para produzir o campo. Sabe-se que para ter uma f.e.m, precisa ter um campo magnético, esse sistema utiliza o magnetismo remanescente, que é a força magnética resultante do uso anterior do gerador. Esse pequeno campo magnético gera uma f.e.m, gerando uma corrente que passa pelo estator, aumentando o campo magnético fazendo como que a f.e.m e a corrente cresça continuamente até que a máquina atinja a intensidade de campo normal. (Chapman, Stephen J. - Fundamentos de máquinas elétricas)
2.4.4 Tensão do gerador
Aplicando uma força (torque) no eixo do gerador, obtém-se uma velocidade angular (Ꞷ). O K é a constante do entreferro a qual a máquina montada. O fluxo magnético é simbolizado por phi (𝛷). Esses são os três fatores que determinam a tensão gerada. Como foi visto, esta velocidade corta o campo magnético do estator e produz uma tensão de geração (Eg). Esta tensão pode ser obtida pela Equação (3).
𝐸𝑔 = 𝐾 ∗ 𝛷 ∗ Ꞷ (3)
Em geradores com eletroímãs, o fluxo pode ser controlado com um potenciômetro em serie com as bobinas. Isso torna possível a regulação de tensão do gerador. (Chapman, Stephen J- Fundamentos de máquinas elétricas)
2.5 INVERSOR CC/CA
O sistema elétrico Brasileiro trabalha em corrente alternada, com frequência de 60Hz. Todas as usinas geradoras acopladas ao SIN, devem gerar este tipo de corrente com esta frequência. Deste modo, sistemas com geradores CC, precisam ser instalados com inversores de frequência, os quais servem para transformar a corrente contínua em corrente alternada (CA).
Um dos objetivos dos inversores é produzir uma forma de onda alternada na saída, cujo módulo e frequência possam ambos ser controlados. Por mais que a forma de onda de saída não seja uma senoide perfeita, tem uma aproximação que pode ser considerada como tal.
O inversor deve ser capaz de fornecer uma corrente de boa qualidade, que esteja em conformidade com as normas pertinentes. Quando conectado o inversor ao SIN, dado que a tensão é definida pelo sistema, o inversor é responsável pela injeção de corrente e consequentemente, de potência na rede. Por isso, a forma de onda da corrente resultante na rede deve ter uma distorção harmônica baixa, se aproximando ao máximo da forma senoidal. (Ahmed, Ashfaq - Eletrônica de Potência)
A corrente contínua se transforma em alternada, devido ao controle de chaves semicondutoras dispostas no circuito, que fazem a permissão da passagem da corrente pelos ramos. A Figura7, mostra o funcionamento básico da alternância de um inversor, com duas chaves de controle, formando uma onda quadrada alternada representado pela Figura8.
Figura 7: Circuito representativo de um inversor meia onda quadrada
Fonte: Ahmed, Ashfaq - Eletrônica de Potência; São Paulo - 2000 p.350
Figura 8: Gráfico de um inversor meia onda quadrada
Fonte: Ahmed, Ashfaq - Eletrônica de Potência; São Paulo - 2000p.351
Para ter uma forma de onda quase senoidal, chaves são acionadas por controle. O mais utilizado é de comparação, PWM (Pulse Width Modulation), a largura do pulso de saída do modulador varia de acordo com a amplitude relativa da referência em comparação, a qual é a frequência da rede.
Quando se trata de inversores trifásicos, pode ser feito dois modelos de arranjos: o primeiro utilizando três inversores monofásicos, chamado ponte completa, que exige 12 transistores. O segundo, chamado de semiponte, que utiliza seis transistores, que é a estrutura normalmente mais utilizada, podendo ser observada na Figura 9.
Figura 9: Topologias de inversor em ponte completa e em semiponte
Fonte: Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - J. A. Pomilio. p.5-7
Para os sistemas com potências maiores, que são conectadas em média tensão (superior a 1 kV e inferior a 69 kV), é utilizado os inversores multiníveis, apresentados na Figura 10. Ele possibilidade conexões direta com a rede em média tensão sem a necessidade de transformador, os níveis de interferência eletromagnética são menores devido baixa taxa de variação da tensão de saída.
Figura 10: Diagrama esquemático de conversor multinível do tipo cascata simétrica
Fonte: Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - J. A. Pomilio. p.5-8
2.6 TURBINAS HIDRÁULICAS
A geração elétrica passa por um processo de conversão, partindo de uma força cinética vindo da água, vento ou vapor, transformando em energia mecânica e depois transformando em energia elétrica.
A conversão de energia através de usinas hidrelétricas é a maior contribuição para a geração de energia elétrica no Brasil. Com a necessidade do desenvolvimento de diferentes modelos de turbinas devido a diferentes características dos afluentes.
As turbinas, tem o objetivo de transformar a energia cinética linear do fluxo da água em energia cinética mecânica. Acoplando no eixo da turbina ao eixo do gerador, esta energia cinética é transformada em energia elétrica. A Figura 11 mostra o fluxograma dos passos do sistema de conversão utilizados em geradores de máquinas rotativas.
Figura 11: Passos de conversão em geradores rotativos
Fonte: Autoria própria - 2020
Tipicamente, as turbinas precisam de um fluxo de alta velocidade para funcionar de forma eficaz. Como mencionado anteriormente, a tensão do gerador é dependente da velocidade de rotação do eixo.
Pode-se analisar na Figura 12 que, o fluxo da água entra na turbina e, passa pelas pás, rotacionando o eixo que está ligado ao rotor do gerador. As turbinas são classificadas em dois segmentos, as turbinas de ação e as de reação. Ambos os tipos de turbinas são instalados no local mais baixo do duto para aproveitar a máxima velocidade de escoamento.
Nas turbinas de ação, representada na Figura 12-B, a água não sofre variação de pressão ao atravessar a roda, e toda a energia nas pás da turbina está sob forma cinética, que é transformada toda ela em energia mecânica. A pressão nesse modelo,
ENERGIA CINÉTICA DA ÁGUA TUBINA ENERGIA MECÂNICA DO EIXO
é transformada totalmente em energia cinética no momento do impacto, como por exemplo as turbinas Pelton.
O distribuidor, é um conjunto de pás-móveis, responsável pelo controle da quantidade de água que entra no rotor, variando a potência gerada. A pressão na saída do distribuidor é igual à pressão atmosférica, fazendo com que a água continue fluindo no rio com baixa velocidade. Ou seja, nas turbinas de ação, a conversão hidráulica em mecânica ocorrem com o escoamento no rotor à pressão constante.
A Figura 12-A, mostra o esquema de turbinas de reação. Nesse modelo, a água escoe em forma circular por toda a turbina, causando uma redução gradual na pressão. Nestes modelos de turbinas é necessário a presença do tubo de sucção, para controlar a pressão na saída do tubo. Como exemplos, turbinas Francis e Kaplan.
Figura 12: Modelos de turbinas hidrelétricas
(A) (B)
Fonte: Geração, Transmissão e Distribuição de Energia – Módulo 4 - WEG
Estes dois modelos podem ser divididos conforme os parâmetros necessários que a instalação exige como altura, vazão e potência de geração.
Como observado na Figura 12, os modelos de turbinas utilizadas em usinas hidrelétricas, fazem com que a velocidade e a pressão da água diminuam intensamente. Isso impossibilita a instalação em tubos de distribuição de água.
3 TURBINAS ESFÉRICAS INSTALADAS DENTRO DA TUBULAÇÃO
DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA
O sistema de tratamento e distribuição de água potável, armazena alta quantidade de energia devido a necessidade de abastecer água a um elevado número de consumidores. Observando o grande potencial energético existente nesses sistema de distribuição, utilizá-los em conjunto para geração de eletricidade, se mostra uma possibilidade rentável e sustentável.
É necessária uma grande quantidade de energia elétrica para entregar água potável e é necessária uma grande quantidade de água para produzir eletricidade (Gregg Semler, presidente da LucidEnergy/Publicado em 19 de janeiro de 2016 / Casa Da Sustentabilidade)
A empresa americana LucidEnergy desenvolveu um sistema composto de turbinas esféricas acopladas a um pequeno gerador para ser implementada dentro de tubulações de distribuição de água. Este sistema permite que a água flua nos dutos até o destino da entrega mantendo a pressão necessária sem prejudicar o sistema de abastecimento.
O sistema denominado LucidPipe™ Power System (LPPS), tem como seu objetivo, proporcionar uma alternativa de aproveitamento da energia potencial mecânica do interior das tubulações para geração de energia elétrica, principalmente a concessionárias de distribuição de água com grandes consumidores.
Devido a turbina ser de forma esférica, diferente das utilizadas em usinas hidrelétricas, a LPPS não perde elevada pressão no contato com a turbina. O sistema implantando em fevereiro de 2011 como teste piloto, na cidade de Riverside no estado da Califórnia nos Estados Unidos, gerou uma média de 20kWh, e não teve a entrega da água afetada.
Este sistema permite reduzir os custos dos consumidores de água, visto que o consumo de eletricidade de uma concessionária de tratamento de água é elevado, fazendo assim, com que os custos do tratamento se tornem reduzidos. Ele também permite a implantação de sistemas elétricos em lugares remotos de difícil acesso à rede, como o caso que está sendo estudado pela Arizona & California Railroad Company (ARZC).
Na Figura13, pode ser observado o sistema LucidPipe™ Power System. A água passa pelos dutos girando o eixo das turbinas que estão acoplados ao gerador elétrico. O LPPS também tem a vantagem da possibilidade de instalar turbinas em série no sistema, fazendo assim com que a geração do sistema seja ainda maior.
Figura 13 - Sistema LucidPipe™ Power System
Fonte: Adaptado de LucidEnergy
De forma mais detalhada, a figura 14 mostra as peças que compõem uma turbina do LPPs.
Figura 14 – Detalhe da turbina e do gerador
3.1 FORMA DE INSTALAÇÃO
O sistema LPPS só tem um bom funcionamento onde a distribuição de água funciona pela força gravitacional. Sistemas onde se utiliza bombas de motor elétrico, a geração do sistema seria menor que o consumo do elétrico da bomba.
Os parâmetros necessários para o desenvolvimento de um projeto com um bom rendimento é primeiramente a vazão que corre na tubulação. A bitola da tubulação é outro fator importante, pois é ela que define o diâmetro da turbina.
Tabela 3 – Parâmetros dos modelos de LPPS
LPS24A LPS42A LPS60A
POTÊNCIA (kw) 18,0 50,0 100,0 DIÂMETRO 600mm (24”) 1050mm (42”) 1500mm (60”) VAZÃO (m³/s) 1,00 2,80 5,60
Fonte: Adaptado de LucidEnergy
Como observado na Tabela 3, a potência cresce proporcionalmente ao tamanho do diâmetro e fluxo da vazão. Estes parâmetros são de suma importância para determinar a potência do sistema, pois este depende que todos os fatores sejam favoráveis para ter um alto rendimento do sistema.
A relação entre o diâmetro da tubulação e a vazão é o que vai definir a velocidade angular da turbina, que é um dos fatores que definem a potência de saída do sistema.
A altura do sistema também é de suma importância. O potencial gravitacional armazenado deve ser considerado para o funcionamento efetivo do sistema, visto que a pressão dentro das tubulações se dá devido a essa diferença de potencial.
Quanto maior a altura do reservatório de água, maior será o potencial gravitacional. Isso permite que possa ser instalado mais de uma turbina em série no duto. Os parâmetros utilizados para análise de instalação, podem ser obtidos na Tabela 4.
Tabela 4 – Altura mínima de cada modelo pela quantidade de turbina
1 2 3 4
LPS24A 2,4m 4,3m 6,7m 9,1m
LPS42A 4,3m 7,5m 117m 16,0m
LPS60A 6,1m 10,7m 16,8m 22,9m
Fonte: Adaptado de LucidEnerg
A Figura 15, apresenta a mudança de elevação do sistema com as diferenças de pressão manométrica proporcional antes e depois do sistema para controle e medição.
Figura 15 – Demonstração de desnível e de perda de pressão
Fonte: Adaptado de LucidEnergy
Além de uma geração eficaz, o LucidPipe™ Power System acrescenta outras vantagens para o sistema de distribuição de água.
No local onde as turbinas estão instaladas, também são instalados sensores para o monitoramento da velocidade e da pressão da água na linha. Esses dados são monitorados com a interação de sistema de aquisição e supervisão de dados (SCADA). Isso permite com que os parâmetros possam ser monitorados em tempo real, auxiliando nas manobras para otimizar a geração de energia elétrica.
Pode ser observado a disposição dos equipamentos na Figura 16, a posição dos geradores, inversores CC/CA para conexão com a rede, os sensores e reguladores. A regra geral para instalação das turbinas em série, é que se mantenha uma distância de três a quatro vezes o diâmetro do tubo.
Figura 16 – Disposição dos equipamentos
Fonte: Adaptado de LucidEnergy
3.2 PERDAS DE PRESSÃO NO LPPS
A turbina desenvolvida tem uma baixa perda de pressão. A pressão manométrica jusante, é pouco inferior a pressão manométrica montante, analisado na Figura 15. Mesmo assim, ela é de suma importância no estudo do local de implantação do sistema.
Segundo Alem Sobrinho & Contrera (2013),no livro a pressão do sistema de distribuição de água deve ser entre 10 m.c.a e 50 m.c.a(metros coluna d’água). A Tabela 5, apresenta as perdas do sistema referente ao diâmetro da tubulação.
Tabela 5 – Dados de pressão extraída
Diâmetro da tubulação(mm)
Pressão extraída em funcionamento (m.c.a)
Pressão extraída em com sistema inoperante (m.c.a)
600 3,66 0,84
1050 4,15 0,85
1500 3,52 0,84
A pressão extraída no sistema, permite que o sistema tenha baixa pressão, em torno de 15 m.c.a, e ainda assim, mesmo com a perda de pressão originado pela turbina, estar dentro dos parâmetros necessários para abastecer a população.
Quando colocados em série, a pressão é somada, porém ele contém um sistema automatizado para fazer o controle dos geradores conforme a pressão instantânea.
3.3 PROJETOS JÁ REALIZADOS
O primeiro sistema LucidPipe™ Power System instalado, foi realizado na cidade Americana Riverside no estado da Califórnia em fevereiro de 2011. Foi instalado uma turbina em uma tubulação de 42” (600mm²) de diâmetro. Esse sistema foi instalado pela companhia de água da região. Utilizado para abastecer a iluminação pública, o sistema gera em média 20kWh.
Em outubro do mesmo ano, a American Water Works Association dos estados da Califórnia e Nevada premiou o sistema com o prêmio ‘Outstanding Energy Management Award’, prêmio concedido as melhores invenções que visam sistemas de energia. Esta primeira instalação, obteve ótimos resultados, pois teve uma boa geração elétrica e não afetou o sistema de distribuição de água.
Em dezembro de 2014, começaram os estudos para instalação do sistema na cidade de Portland também nos EUA. O projeto foi uma parceria da concessionária de água, Portland Water Bureau (PWB), juntamente com a distribuidora de energia elétrica, Portland General Eletric (PGE).
O sistema instalado em Portland, tem maior capacidade que o de Riverside. Consiste em quatro turbinas instaladas em série, no tubo com diâmetro de 600mm. O site “TheCivilEngineer.org”, publicou em setembro de 2017, uma reportagem que apresenta, a capacidade do sistema produz uma média de 1100MWh por ano.
Na cidade de Toronto, no Canadá, está sendo estudada a possibilidade de instalação do sistema LPPS no sistema urbano de esgoto. Estimativas realizadas atestam a viabilidade do projeto, pois em alguns pontos da cidade a vazão de esgoto supre a necessidade mínima para garantir a eficiência do sistema.
4 SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA
Para a água chegar até os consumidores, ela passa por diversos canais. Como ilustra a Figura 17, a água é captada de mananciais, transmitida até a estação de tratamento deixando mais próximo aos consumidores. Após a água ser tratada, ela vai para reservatórios para que não ocorra a falta de água tratada aos consumidores. Então após os reservatórios a água é distribuída aos consumidores.
Os projetos de rede de distribuição de água são regulamentados pela NBR 12218.
Figura 17 - Fluxograma de abastecimento de água
Fonte:HELLER e PADUA, 2006
• Mananciais
Os mananciais, são as fontes de água que podem ser utilizadas para abastecimento público, podendo ser tanto superficiais quanto subterrâneas, como por exemplo, lençóis freáticos, rios, lagos, represas. Os mananciais são assegurados por normas que exigem cuidados especiais. São regras que servem para evitar a poluição da água.
Como normalmente o trecho de um rio que esteja localizado próximo à uma cidade acaba sendo poluída, esses mananciais são instalados distante das cidades. Como por exemplo o rio Pesseguerinho, rio que cruza a cidade de Santa Rosa, no
Estado do Rio Grande do Sul, Brasil, que hoje não pode ser utilizado para consumo devido a sua poluição.
Até 2019, o município de Santa Rosa era abastecido unicamente pelo rio Santo Cristo. Entretanto, no final de maio deste mesmo ano, a cidade começou a ser abastecida também pelo rio Santa Rosa.
• Captações
A captação é o modelo a qual será retirado água dos mananciais, são divididos em diferentes formas, dependendo da localização dos mananciais. São divididos em cinco modelos:
Captação direta ou a fio de água;
Captação com barragem de regularização de nível de água;
Captação com reservatório de regularização de vazão destinado prioritariamente para o abastecimento público de água;
Captação em reservatórios ou lagos de usos múltiplos; Captações não convencionais.
• Adutoras
Denomina-se adutora, a tubulação que alimenta o sistema de água. Elas transportam a água dos mananciais até as ETAs (Estação de Tratamento de Água) e das ETAs até os reservatórios.
São tubulações dos sistemas de abastecimento de água, e são responsáveis pelo transporte de água para as unidades que antecedem a rede de distribuição do sistema. As adutoras, em um todo, não são responsáveis pela distribuição de água aos consumidores, mas sim pela interligação da captação, estação de tratamento e reservatórios (Tsutiya, 2006, apud GIROL, 2008
• Estações elevatórias
Quando não há possibilidade de transportar a água do manancial até a ETA utilizando a força gravitacional, é necessário utilizar motores para bombear a água. O local de bombeamento da água é chamado de estação elevatória e o uso destas bombas acarreta em uma parcela significativa do consumo de energia elétrica do sistema de fornecimento de água.
• Estação de tratamento de água (ETA)
Como o objetivo do tratamento de água é entregar água potável aos consumidores, a estação de tratamento de água, é o local que recebe a água do manancial e faz toda a parte do tratamento de água para que esta seja purificada para o consumo. A partir dela é que é feita a parte da distribuição.
Hoje na cidade de Santa Rosa existem duas ETAs. Uma está localizada no centro da cidade, chamada ETA -1, e é alimentada pelo rio Santo Cristo, recebendo em média de 240L/s de água.
Visto o crescimento da cidade, foi inaugurada no final de maio de 2019 a ETA-2, localizada na BR 47ETA-2, km 11- bairro Cruzeiro. É abastecida pelo rio Santa Rosa, e tem capacidade de tratar 150L/s.
Figura 18 – Estação de Tratamento II de Santa Rosa
• Reservatórios de passagem e de distribuição
Os reservatórios tem por objetivo a distribuição de água. A água tratada que sai da ETA, vai para reservatórios que distribuem a água local.
Quando o consumo de água aumenta, a função do reservatório é permitir que não falte água aos consumidores. Eles também são responsáveis por permitir a continuidade do abastecimento quando se faz necessária a interrupção do abastecimento para manutenção em unidades como captação, adução e estações de tratamento.
• Redes de Distribuição de água
As redes de distribuição são compostas por todas as tubulações e dispositivos anexos interligados entre si e localizados nas vias e com função de encaminhar a água aos seus usuários finais em regime contínuo, com pressão adequada e atendendo todos os padrões de consumo necessários (HELLER, 2006).
Com a função de distribuir água aos consumidores, as redes de distribuição de água podem sem divididas em três modelos:
Rede ramificada: É a rede que tem um tronco central e que tem derivações de tubulação menores saindo dela. Esse tipo de topologia se utiliza onde há apenas um local de saída e que não pode ser criado uma segunda via.
Rede malha: As tubulações principais formam uma malha ou anel. Isso permite que a água tenha mais de uma via para os consumidores. Essa topologia permite que tenha mais caminhos em determinados locais, isso facilita a manutenção das adutoras sem interromper o fluxo da água por inteiro.
Figura 19 – Tipos de topografia
Fonte: Adaptado de Gomes (2004)
4.1 DISPOSITIVOS DE REDUÇÃO DE PRESSÃO (VRP)
Segundo a norma NBR5626, uma instalação predial, em qualquer ponto, a pressão estática não deve ultrapassar 50 m.c.a. Isso faz com que o sistema de distribuição de água necessite trabalhar em uma pressão ente 10 m.c.a e 50 m.c.a.
Devido à alguns locais a água trabalhar com a força gravitacional e não ser controlados por bombas, a pressão se torna incontrolável. Sendo assim, coloca-se redutor de pressão nas adutoras para poder haver o controle da pressão no sistema.
A pressão pode aumentar significativamente durante um declive, conforme for o desnível da adutora. Então, em certa parte do sistema uma VRP (Válvula Redutora de Pressão) é projetada e instalada de forma para que todos os consumidores sejam abastecidos conforme a pressão regulamentada.
As VRP são também utilizadas para auxiliar a minimizar rupturas de redes em cenários de baixo consumo onde ocorre uma pressurização da rede de abastecimento de água.
5 ESTUDO DE CASO
5.1 DIMENSIONAMENTO
A partir dos dados fornecidos na empresa LucidEnergy sobre a potência gerada a partir da vazão que passa pelos dutos, observa-se uma relação direta entre estas variáveis. Quanto maior a vazão, maior a potência gerada. Mesmo que a empresa não tenha desenvolvido turbinas para tubulações de pequeno porte, foi desenvolvida uma modelagem matemática baseada nos dados fornecidos pela empresa para calcular as possíveis potências teóricas de turbinas que poderiam ser aplicadas em sistemas menores.
A Figura 20 mostra a relação de diâmetro, vazão mínima para produção da respectiva potência.
Figura 20 – Diâmetro das tubulações com a potência gerada
Fonte: LucidyEnergy
O fator inicial que deve ser levado em consideração é o diâmetro a qual a turbina vai ser instalada. A relação do diâmetro da tubulação pela potência fornecida na rede apresentou seus dados que podem ser obtidos pela Equação (4). A representação gráfica pode ser analisada na Figura 21.
𝑃 =
11432
𝑑² +
5Figura 21 – Gráfico da potência a partir do diâmetro
Fonte: Autoria própria
O fato de a vazão do sistema de distribuição de água ser variável, deve-se encontrar a vazão mínima para o funcionamento do sistema. Esse pode ser calculado pela Equação (5) cujo comportamento é mostrado na Figura 22.
𝑄 =
3524387
𝑑² +
476508
𝑑
(5)Figura 22 – Relação vazão x diâmetro
A Equação (6) foi obtida para relacionar a potência do sistema a partir da vazão mínima no duto, que é representada pelo gráfico da Figura 23.
𝑃 = 18 ∗ 𝑄 (6)
Figura 23 – Relação potência x vazão
Fonte: Autoria própria
Com as equações encontradas, é possível calcular as potências teóricas para tubulações com diâmetros diferentes aos sistemas comerciais existentes. Isso permite o estudo de viabilidade em locais onde o sistema de distribuição de água utiliza tubulações diferente às já implementadas pela LucidEnergy.
5.1.1 Rendimento
Para se determinar a potência disponível em um duto utilizado em sistemas hidrelétricos, utiliza-se a Equação (7):
Onde:
P = Potência (W)
ρ= peso específico da água(1000Kg/m³) g= gravidade (9,81m/s²)
Q = Vazão(m³/s) H=Altura (m)
Com os dados extraídos dos valores mínimo para dimensionamento do LPPS, pode-se obter o rendimento do sistema.
A potência elétrica de saída do sistema é apresentada na Figura 20. A potência mecânica de entrada é calculada utilizando a Equação (7):
𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑄 = 1𝑚³/𝑠 , 𝐻 = 2,4𝑚 𝑃 = 1000 ∗ 9,81 ∗ 2,4 ∗ 1
𝑃 = 23544𝑊
Sendo que o rendimento é a razão da potência elétrica de saída pela potência mecânica de entrada do sistema (Figura2), logo:
𝜂 =𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛 (8) 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 18000, 𝑃𝑖𝑛 = 23544 𝜂 = 18000 23544 𝜂 = 76%
5.2 ESTUDO DE CASO SANTA ROSA
O levantamento de dados para o estudo do caso foi feito com a ajuda da equipe que trabalha na estação de tratamento de água da CORSAN de Santa Rosa. Os dados do sistema de distribuição de água foram obtidos em busca de encontrar locais que poderiam atender as condições mínimas para a instalação do sistema da LPPS.
A tubulação que transmite a água absorvida do rio até a ETA, tem diâmetro de 300mm e são utilizados motores para bombear a água. As tubulações de distribuição para os consumidores, variam de 100mm a 200m. A vazão que passa na tubulação que transmite água do recalque até a ETA é de aproximadamente 0,24m³/s, podendo chegar a 0,34m³/s.
Após o tratamento de água, ela é distribuída pela cidade. Parte dessa distribuição é feita pela força gravitacional e parte por bombeamento.
A Figura 24, apresenta o diagrama do sistema de tratamento de água de Santa Rosa.
Figura 24 – Diagrama do sistema de distribuição de água de Santa Rosa
Fonte: CORSAN- SANTA ROSA
O ponto de estudo está localizado na cidade de Santa Rosa, RS, no bairro Planalto, na divisa da Av. Sinval Saldanha e Rua Guanabara. O ponto foi escolhido
pois nesse ponto, como pode ser observado na Figura 24, no sistema do complexo Planalto, não há motores para bombear água, ela flui inteiramente pela força gravitacional. Além disso há uma VRP instalada. A tubulação que chega neste local tem diâmetro de 150mm (6”). A Figura 25 apresenta o a localização da VRP da ETA-1.
Figura 25 – Ponto de estudo I
Fonte: Google Earth
O desnível entre a ETA e a VRP, traçado pela linha vermelha da Figura 25, pode ser analisado graficamente na Figura 26. O desnível entre a ETA e a VRP é de 69m.
Figura 26 – Gráfico de desnível entre a ETA e a VRP
A partir do diâmetro da tubulação, pode ser calculado a potência gerada. No caso do estudo 6’’ de diâmetro.
𝑃 = 11
4326² + 5
366
𝑃 = 1,75𝑘𝑊
Encontrado a potência nominal de geração, calcula-se a vazão mínima nescessária para o sistema trabalhar nesta potência.
𝑄 = 35 243876² + 47 65086 𝑄 = 0,095𝑚3/𝑠 𝑄 = 95𝐿/𝑠
A potência encontrada anteriormente é a potência de saída do sistema. Como visto na Figura2, todo sistema de conversão eletromecânica contém perdas, tanto mecânica quanto elétricas, admitindo que essas perdas façam com que o sistema tenha um rendimento de 76%, calcula-se os parâmetros da entrada mecânica do sistema utilizando a razão da potência de saída pela potência de entrada.
0,7 = 1750 𝑃𝑖𝑛
𝑃𝑖𝑛 =1750 0,76
𝑃𝑖𝑛 = 2302𝑊
A vazão de 95L/s pode provocar uma velocidade angular na turbina de 150mm de 8,96 rad/s, para isso o torque mínimo a ser aplicado é encontrado pela Equação (9):
𝑇 =
𝑃𝑖𝑛Ꞷ (9)
𝑇 =2302 8,96
𝑇 = 257𝑁. 𝑚
O gráfico da Figura 27, apresenta a curva de vazão de um dia de trabalho na zona baixa do sistema de distribuição.
Figura 27 – Gráfico de vazão da zona baixa
Fonte: SANTOS, MARCO ANTONIO DOS - 2019
Como analisado no gráfico, a vazão mínima fica em torno de 2L/s e o ponto máximo de 12L/s. Analisando essa vazão, pode-se obter os seguintes resultados de potência utilizando a Equação (6):
𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑄 = 0,002𝑚3/𝑠
𝑃𝑚𝑖𝑛 = 18 ∗ 0,002𝑚³/𝑠 𝑃𝑚𝑖𝑛 = 36𝑤
𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑄 = 0,012𝑚3/𝑠 𝑃𝑚á𝑥 = 18 ∗ 0,012𝑚3/𝑠
𝑃𝑚á𝑥 = 216𝑤
Os dados obtidos na concessionária, apresentam inviabilidade de instalação do sistema da LPPS existente hoje. O diâmetro das tubulações do sistema de tratamento de água da CORSAN Santa Rosa é muito inferior aos exigidos para a instalação da LPPS. O menor sistema criado pela LucidEnergy exige um diâmetro de 600mm² com um vazão de 1m³/s.
O possível desenvolvimento de turbina para tubulações com diâmetros pequenos, que foram calculados anteriormente, também não seria viável a instalação do mesmo, devido a produção de energia extremamente baixa.
Se a vazão de água alcançasse os valores calculados, mesmo a tubulação tendo um menor diâmetro, a alta vazão no tubo, tornaria o sistema possível, podendo gerar até 40kW por dia.
Como a LPPS é utilizado também para obter dados do sistema de distribuição, como pressão e vazão, ele se tornaria um sistema de medição autossustentável, sem precisar de conexão com uma rede de energia elétrica externa.
Sistemas de “água inteligente”, é o nome dado ao conceito do sistema capaz de coletar informações importantes, por meio da Internet das Coisas, utilizando sensores localizados ao longo da rede de água. E como falado anteriormente, o LPPs tem equipamentos que podem ser conectados em sistemas de controle.
5.2.1 Relação de água em relação a população
A cidade de Portland (EUA), onde está já está em funcionamento o sistema da LPPS, tem uma população de 650 mil habitantes (Departamento do Censo dos Estados Unidos), enquanto Santa Rosa (Brasil) tem uma população estimada muito inferior, de apenas 73mil habitantes (IBGE- https://cidades.ibge.gov.br/brasil/rs/santa-rosa/panorama).
Essa diferença de população, explica o porquê da rede de água ter tubulações com diâmetro bem inferior.
A concessionária de água calcula sua tubulação baseada na população a ser abastecida na cidade, que é diretamente proporcional a necessidade de água. Também é levado em consideração o modelo de consumo de cada local, como industrial, residencial ou comercial.
A vazão de demanda pode ser calculada pela Equação (10):
Qd =
Pp∗q∗k33600∗h (10)
Onde:
Pp – População de projeto a ser abastecida Qd – Vazão de demanda(L/s)
h- Hora de operação do sistema (utiliza-se normalmente 24h) k3 – Coeficiente de reforço (K1*K2)
q – Taxa de consumo per capta médio da comunidade (l/hab/dia) Coeficientes (Valores utilizados para o Brasil):
K1 - Consumo Máximo Diário = 1,2 K2 - Consumo Máximo Horário = 1,5
Para analisar a população mínima do local para a instalação de um sistema que possa comportar a vazão mínima utilizada pela LPPS, utiliza-se então a Equação (10), com a vazão do menor sistema,1m³/s(1000L/s).
Ajustando a Equação (10): 𝑃𝑝 =𝑄𝑑 ∗ 3600 ∗ ℎ 𝑞 ∗ 𝑘3 𝑃𝑝 =1000 ∗ 3600 ∗ 24 300 ∗ (1,2 ∗ 1,5) 𝑃𝑝 = 160 𝑚𝑖𝑙 ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠
