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Microgeração de energia em sistemas de abastecimento de água

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Academic year: 2021

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ENGENHARIA ELÉTRICA

MARCO ANTONIO DOS SANTOS

MICROGERAÇÃO DE ENERGIA EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA Santa Rosa 2019

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MARCO ANTONIO DOS SANTOS

MICROGERAÇÃO DE ENERGIA EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA

Projeto de pesquisa apresentado ao Departamento de Ciências Exatas e Engenharias da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul como requisito para aprovação na disciplina de Projeto de Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Manuel Martín Pérez Reimbold. Santa Rosa 2019

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MARCO ANTONIO DOS SANTOS

MICROGERAÇÃO DE ENERGIA EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO 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. ________________________________________ Prof. Conceito:________________________________ Santa Rosa_______de__________________de_______

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À Deus por ter me permitido alcançar esse objetivo e por ter cuidado de mim até aqui. À Ele a honra e a glória dessa vitória. Com muito amor e gratidão, dedico-lhe esta conquista.

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Agradeço primeiramente a Deus, por sempre estar comigo e nunca me desemparar sendo sempre o amigo mais fiel, e por sua infinita misericórdia em me proporcionar essa conquista.

Á minha esposa 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 meu irmão que sempre foi um exemplo para mim e muitas vezes me ajudou nesse período acadêmico.

Ao professor Mauro Fonseca Rodrigues por auxiliar inicialmente na construção do tema e pelo apoio.

Ao professor Manuel Martín Pérez Reimbold pela orientação e por me auxiliar no trabalho sempre disposto a melhor atender e colaborar com o avanço da pesquisa. Aos professores do curso de Engenharia Elétrica pela dedicação e empenho no ensino.

Aos colegas da empresa CORSAN, que sempre se mostraram dispostos a ajudar com informações e contribuições para que hoje possa estar concluindo mais essa etapa.

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“Tudo quanto te vier à mão para fazer, faze-o cfaze-onffaze-orme as tuas ffaze-orças, pfaze-orque na sepultura, para onde tu vais, não há obra nem projeto, nem conhecimento, nem sabedoria alguma. ”

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A necessidade de diversificação da matriz energética brasileira em consequência principalmente das mudanças climáticas e da demanda de energia elétrica incentiva o estudo de fontes alternativas de geração. Nesse cenário, os sistemas de abastecimento de água dispõem de uma energia potencial desperdiçada em válvulas redutoras de pressão que induzem uma perda de carga em pontos de alta pressão. Uma solução para o aproveitamento desse potencial é a instalação de turbinas para microgeração de energia elétrica em substituição as válvulas, de modo que, a perda de carga ainda ocorra na rede de abastecimento. Para isso, o estudo do sistema de microgeração avalia uma bomba funcionando como turbina e um motor de indução assíncrono operando como gerador conectado à rede de distribuição de energia elétrica. O sistema proposto teve por objetivo utilizar a geração distribuída que é método de compensação de energia para aproveitamento da produção elétrica, que se mostrou uma boa alternativa na qualidade de energia, pois, a tensão e a frequência gerada são definidas pela rede de energia elétrica. Após o dimensionamento da turbina e do gerador, a capacidade de geração de energia elétrica foi de aproximadamente 2kW de potência ativa, e capacidade mensal de aproximadamente 1MWh. Os estudos realizados comprovam a viabilidade de geração de energia elétrica em sistemas de abastecimento de água, e evidenciam um futuro promissor com a utilização do sistema na geração distribuída, se tornando, uma alternativa viável para as empresas do saneamento.

Palavras-chave: Sistemas de abastecimento de água, Bomba funcionando como turbina, Motor de indução funcionando como gerador, Geração distribuída.

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The need for diversification of the Brazilian energy matrix because of climate change and the demand for electric energy encourages the study of alternative sources of generation. In this scenario, water supply systems have a potential energy wasted on pressure reducing valves that induce a pressure drop at high pressure points. One solution to the use of this potential is the installation of turbines for microgeneration of electric energy replacing the valves, so that the loss of load still occurs in the supply network. For this, the study of the microgeneration system evaluates a pump functioning as a turbine and an asynchronous induction motor operating as a generator connected to the electric power distribution network. The proposed system aimed to use the distributed generation, which is a method of energy compensation for the use of electric power, which proved to be a good alternative in energy quality, since the voltage and frequency generated are defined by the electric power grid. After the sizing of the turbine and the generator, the electric power generation capacity was approximately 2kW of active power, and a monthly capacity of approximately 1MWh. The studies carried out prove the viability of electric power generation in water supply systems, and show a promising future with the use of the system in distributed generation, becoming a viable alternative for sanitation companies.

Keywords: Water supply systems, Pump functioning as a turbine, Induction motor running as a generator, Distributed generation.

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Figura 1 – Matriz Elétrica Mundial 2016 ... 19

Figura 2 – Matriz Elétrica no Brasil 2016 ... 19

Figura 3 – Potência Instalada na Geração Distribuída ... 21

Figura 4 – Potência Instalada Geração Distribuída por Tipos de Fontes ... 22

Figura 5 – Sistema de Abastecimento de Água ... 24

Figura 6 – VRP ativa (a), VRP passiva aberta (b), VRP passiva fechada (c) ... 26

Figura 7 – VRP com carga constante (a), VRP com queda constante (b), VRP com carga constante variável no tempo (c), VRP com carga constante ajustável ao consumo (d). ... 26

Figura 8 – Campo de aplicação de turbinas. ... 27

Figura 9 – Diagrama de Cordier ... 28

Figura 10 – Turbina Michell-Banki ... 28

Figura 11 – Turbina Francis ... 29

Figura 12 – Turbina Pelton ... 30

Figura 13 – Turbinas Axiais ... 31

Figura 14 – Curva típica da Máquina de Indução ... 34

Figura 15 – Pré-seleção do motor para ser utilizado como gerador ... 35

Figura 16 – Rotor radial (A), misto (B) e axial (C) ... 37

Figura 17 – Rotor fechado (A), semiaberto (B) e aberto (C) ... 37

Figura 18 – Bomba centrífuga funcionando como bomba e como turbina ... 38

Figura 19 – Campo de aplicação da BFT ... 39

Figura 20 – Curva de funcionamento como bomba e como turbina ... 40

Figura 21 – Coeficientes de Vazão e Altura ... 43

Figura 22 – Parâmetro de rendimento da bomba ... 47

Figura 23 – Coeficiente de Altura ... 48

Figura 24 – Coeficiente de Vazão ... 48

Figura 25 – Gráfico de vazão por horário ... 51

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Figura 29 – Tabela de seleção da bomba ... 57 Figura 30 – Pré-seleção do motor para ser utilizado como gerador ... 58 Figura 31 – Produção de energia horária ... 60

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Tabela 3.1 - Dados do Aproveitamento...53

Tabela 3.2 - Dados para seleção da BFT...56

Tabela 3.3 - Resultados do Aproveitamento...61

Tabela 3.4 - Custos do Investimento...62

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ANEEL – Agencia Nacional de Energia Elétrica BFT – Bomba Funcionando como Turbina

CERPCH – Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas CORSAN – Companhia Riograndense de Saneamento

CPH – Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos EPE – Empresa de Pesquisa Energética

Hz – Hertz

IP – Índice de Proteção KW – Quilowatt

KWh – Quilowatt Hora

MIG – Motor de Indução funcionando como Gerador MME – Ministério de Minas e Energia

MW – Megawatt

NBR – Norma Brasileira

P&D – Pesquisa e Desenvolvimento PCH – Pequena Central Hidrelétrica PEE – Programa de Eficiência Energética ROL – Receita Operacional Líquida

SAA – Sistemas de Abastecimento de Água

SNIS – Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento VRP – Válvula Redutora de Pressão

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 1.1 OBJETIVO GERAL ... 17 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 17 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18

2.1 FONTES DE ENERGIA ALTERNATIVAS E RENOVÁVEIS ... 18

2.2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ... 20

2.3 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA (SAA)... 23

2.3.1 Introdução ... 23

2.3.2 Constituição dos Sistemas de Abastecimento de Água ... 23

2.3.3 Válvula Redutora De Pressão (VRP) ... 25

2.4 TURBINAS HIDRÁULICAS ... 27 2.4.1 Turbinas Michell-Banki ... 28 2.4.2 Turbinas Francis ... 29 2.4.3 Turbinas Pelton ... 30 2.4.4 Turbinas Axiais ... 31 2.5 GERADORES ... 31 2.5.1 Geradores Síncronos ... 32

2.5.2 Geradores Assíncronos ou de Indução ... 32

2.5.3 Motor de Indução funcionando como gerador... 33

2.5.4 Método de Seleção do MIG ... 35

2.6 BOMBA HIDRÁULICA OPERANDO COMO TURBINA ... 36

2.6.1 Comportamento Hidráulico ... 36

2.6.2 Vantagens e Desvantagens da BFT ... 39

2.6.3 Método de Seleção da BFT ... 41

2.6.4 Método de Viana ... 42

2.6.5 Método de Chapallaz ... 45

3 APLICAÇÃO DE BFT EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO ... 50

3.1 LOCAL DE INSTALAÇÃO ... 50

3.2 SELEÇÃO DA BFT ... 53

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4 AVALIAÇÃO ENERGÉTICA E ANÁLISE ECONÔMICA ... 59

4.1 AVALIAÇÃO ENERGÉTICA ... 59

4.2 ANÁLISE ECONÔMICA ... 61

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 64

5.1 CONCLUSÕES ... 64

5.2 SUGESTOES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 65

REFERÊNCIAS ... 66

ANEXOS ... 69

ANEXO A – Bomba a ser utilizada como turbina. ... 69

ANEXO B – Curvas da bomba utilizada no projeto. ... 70

ANEXO C – Motor Monobloco utilizado como gerador. ... 71

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1 INTRODUÇÃO

Desde o princípio da humanidade a energia sempre foi fundamental ao ser humano, inicialmente através do fogo e do vento e hoje a energia elétrica. No momento atual a energia elétrica se tornou um direito essencial e um bem inegociável, o mundo precisa de energia e cada vez mais não somente pela necessidade humana, mas também por representar o avanço econômico de uma nação.

Existe uma crescente preocupação com a diversificação da matriz energética brasileira influenciada pelas mudanças climáticas e o aumento necessário da oferta de energia nos próximos anos, esse cenário remete a necessidade de que novos equipamentos com maior eficiência energética, tanto industriais como residenciais, e novos modelos de geração de energia elétrica sejam cada vez mais estudados, principalmente pesquisas em sistemas capazes de utilizar fontes de energias alternativas e renováveis, com o aproveitamento de potenciais energéticos existentes no nosso meio.

As fontes renováveis de energia são aquelas em que os recursos naturais utilizados são capazes de se regenerar, ou seja, são considerados inesgotáveis, além de diminuir o impacto ambiental e contornar o uso de matéria prima que normalmente é não renovável. Dentre as energias alternativas renováveis, mais conhecidas atualmente, encontram-se a energia eólica, energia hidráulica, energia do mar, energia solar, energia geotérmica e biomassa. A utilização dessas energias alternativas renováveis em substituição aos combustíveis fósseis é viável e vantajosa. Além de serem praticamente inesgotáveis, as energias renováveis podem apresentar impacto ambiental baixo, sem afetar o balanço térmico ou a composição atmosférica do planeta (COSBEY, 2011).

Várias são as razões para o fomento às fontes renováveis alternativas, atualmente os recursos naturais e renováveis tem sido o foco de inúmeras pesquisas, impulsionadas pelo aumento das preocupações com o meio ambiente, devido aos problemas ecológicos e do aquecimento global, gerados pela utilização de combustíveis fósseis. O aproveitamento correto das fontes renováveis é um excelente modo de substituir as “energias sujas” e evitar danos ao planeta (AZEVEDO, 2013).

Foi estabelecido no Brasil, a partir do ano 2000, a lei nº 9.991 pela qual as empresas concessionárias, permissionárias e autorizadas do setor de energia elétrica

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são obrigadas a aplicar anualmente um percentual (1% (um por cento) para geração e transmissão e 0,5% (meio por cento) para distribuição) de sua Receita Operacional Líquida (ROL) em pesquisa e desenvolvimento (P&D) e Programa de Eficiência Energética (PEE).

Segundo a Agencia Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), a principal barreira enfrentada por tecnologias de geração de energia elétrica a partir de fontes alternativas ou não-convencionais é sua inserção competitiva num mercado aberto. Assim, há a necessidade das atividades de P&D perseguirem custos mais competitivos para tais tecnologias. Os temas sugeridos para P&D são descritos pela ANEEL sendo, “[...] tecnologias de geração de pequeno porte, para aplicação em sistemas isolados, de co-geração ou geração distribuída, novos ciclos de geração, células combustíveis, novas turbinas a gás e utilização de biocombustíveis” (ANEEL, 2016).

A geração distribuída é caracterizada pela instalação de geradores de pequeno porte, normalmente a partir de fontes renováveis, ou mesmo utilizando combustíveis fósseis, localizados próximos aos centros de consumo de energia elétrica. De forma geral, a presença de pequenos geradores próximos às cargas pode proporcionar diversos benefícios para o sistema elétrico, dentre os quais se destacam a postergação de investimentos em expansão nos sistemas de distribuição e transmissão; o baixo impacto ambiental; a melhoria do nível de tensão da rede no período de carga pesada e a diversificação da matriz energética (ANEEL, 2016).

Os prestadores de serviços de saneamento possuem instalações que demandam elevada quantidade de energia elétrica, sendo que os gastos necessários para obtenção dessa energia comprometem significativamente seus respectivos faturamentos. Segundo dados do Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento (SNIS), em 2016 as despesas com energia elétrica dos prestadores de serviços de água e esgoto atingiram 5,4 bilhões de reais, referentes ao consumo de aproximadamente 14,9 TWh. De acordo com a Empresa de Pesquisa Energética (EPE), esse valor representa aproximadamente 3,2% do consumo total de energia do país.

Levando em consideração a necessidade de se obter novas tecnologias de geração de energia elétrica utilizando fontes alternativas e renováveis, tanto pela questão econômica como pelo olhar da sustentabilidade, esse projeto de pesquisa

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visa obter uma estrutura tecnicamente viável para geração de energia elétrica através de turbinas em sistemas de abastecimento de agua, estabelecendo um modelo que se enquadre aos moldes da geração distribuída, podendo assim ser de grande valia ao setor do saneamento e um referencial teórico no desenvolvimento de futuros projetos em geração de energia elétrica a partir de fontes alternativas e renováveis.

O desenvolvimento de um modelo capaz de gerar energia elétrica a partir dos sistemas de abastecimento de agua convencionais tem que atender pontos importantes, a turbina escolhida para aplicação direta na rede reduzirá a pressão da mesma, porém deve manter a mínima pressão exigida pela NBR 12218 ao consumidor.

1.1 OBJETIVO GERAL

Fazer uma análise do potencial energético no sistema de abastecimento de água convencional avaliando alternativas para geração de energia elétrica utilizando a vazão e a pressão existente de água nas redes principais de alimentação dos consumidores, e selecionar um grupo gerador (turbina e alternador), capaz de ser utilizado na geração distribuída.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Selecionar um grupo gerador que possibilite aplicação direta nas redes de distribuição de água;

• Estimar a capacidade de geração e analisar a viabilidade econômica da implantação desse grupo gerador conectado à rede de distribuição de energia através da geração distribuída;

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Ao longo da história, o uso da energia tem sido cada vez mais presente e essencial na vida de todos. Com o desenvolvimento de novas tecnologias e o surgimento de novas necessidades, aliado ao crescimento quase constante da população mundial, um dos grandes desafios hoje encontrados é a incerteza com relação à disponibilidade futura de energia frente à demanda, principalmente devido ao abrangente uso de fontes não-renováveis e a exploração de alta escala dos recursos fornecidos pelo planeta. Diante dessa realidade, novas fontes têm sido estudadas como forma não só de diversificar a matriz energética dos países ao redor do globo, mas também desenvolver alternativas que tragam uma redução dos impactos, principalmente de ordem ambiental, causados pela geração, distribuição e consumo de energia, sejam eles em grande ou pequena escala. É nessa perspectiva que surge a discussão da viabilidade de implantação de energias consideradas renováveis, com destaque para aquelas que permitam um distúrbio menor ao meio ambiente e à sociedade como um todo. A facilidade de acesso da população à energia elétrica, sendo um serviço de infraestrutura (assim como saneamento básico e transportes, entre outros), é hoje considerada uma das variáveis que define o nível de desenvolvimento de uma nação, para satisfazer necessidades de iluminação, aquecimento, transporte, e a produção e distribuição de vários materiais produzidos por indústrias, é necessária uma complexa rede energética (DUNLAP, 2015).

2.1 FONTES DE ENERGIA ALTERNATIVAS E RENOVÁVEIS

Segundo dados do Ministério de Minas e Energia (MME), apesar de um aumento da conscientização e uma necessidade em se obter uma matriz energética mais sustentável, o cenário mundial continua sendo de grande dependência de fontes não renováveis de energia, impulsionado principalmente pelas usinas termoelétricas que se utilizam de combustíveis fosseis finitos na natureza ocasionando um significativo impacto ambiental tanto pela extração como pela queima da matéria prima, sendo apenas 24% (vinte e quatro por cento) fontes renováveis, assim ilustrado a figura 1.

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Figura 1 – Matriz Elétrica Mundial 2016

Fonte: Ministério de Minas e Energia, 2017.

No Brasil, diferentemente do que se apresenta no mundo, temos um panorama mais avançado na geração de energia por fontes renováveis, essa característica é possível pelo fato de que o país é abundante em recursos hídricos tendo quase 70% (setenta por cento) de sua matriz de geração elétrica composta por usinas hidrelétricas, centrais hidrelétricas e PCH’s (pequenas centrais hidrelétricas), sendo assim somada a outras fontes renováveis como solar e eólica o Brasil possui mais de 80% (oitenta por cento) de geração por fontes renováveis como ilustra a figura 2.

Figura 2 – Matriz Elétrica no Brasil 2016

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A necessidade de aumentar a geração por fontes renováveis devido as condições climáticas se contrapõe a característica mundial que apesar de ter um aumento na geração eólica e solar necessita de energias firmes para suportar a demanda de energia existente. Diversos modelos de geração alternativos e sustentáveis vêm sendo estudados constantemente com o propósito de auxiliar nesses índices.

O aproveitamento de potenciais hidráulicos residuais no Brasil, por meio da implantação de pequenas centrais hidrelétricas (PCHs), constitui uma oportunidade de expansão da base de geração alternativa. As PCHs possuem características singulares que as distinguem das usinas hidrelétricas de médio e grande porte. Levando em consideração o montante envolvido em sua construção, as PCHs são alternativas factíveis para autogeração e a produção independente por parte dos grupos empresarias de pequeno e médio porte (Lopes, 2003).

O programa de P&D (pesquisa e desenvolvimento) da ANEEL, seleciona projetos que auxiliam na solução de problemas e no desenvolvimento de inovações do setor elétrico, as fontes alternativas e renováveis são um dos alvos do programa, através de pesquisas de modelos que possam competir no mercado atual. A principal dificuldade é de estabelecer um projeto economicamente viável que desperte interesse por parte de investidores e fabricantes, como um método estimulador de geração por fontes renováveis foi criada no ano de 2012 a micro e minigeração distribuída.

2.2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

A geração distribuída é caracterizada pela instalação de geradores de pequeno porte, normalmente a partir de fontes renováveis, localizados próximos aos centros de consumo de energia elétrica. De forma geral, a presença de pequenos geradores próximos às cargas pode proporcionar diversos benefícios para o sistema elétrico, dentre os quais se destacam a postergação de investimentos em expansão nos sistemas de distribuição e transmissão, o baixo impacto ambiental, a melhoria do nível de tensão da rede no período de carga pesada e a diversificação da matriz energética. Por outro lado, há algumas desvantagens associadas à instalação de pequenos geradores espalhados na rede de distribuição, tais como, o aumento da complexidade

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de operação da rede, a dificuldade na cobrança pelo uso do sistema elétrico, a eventual incidência de tributos e a necessidade de alteração dos procedimentos das distribuidoras para operar, controlar e proteger suas redes (ANEEL, 2016).

Para efeitos de diferenciação, a microgeração distribuída refere-se a uma central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 75 quilowatts (kW), enquanto que a minigeração distribuída diz respeito às centrais geradoras com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 megawatt (MW), para a fonte hídrica, ou 5 MW para as demais fontes.

Uma inovação trazida pela Resolução Normativa nº 482/2012 é o Sistema de Compensação de Energia Elétrica. Esse sistema permite que a energia excedente gerada pela unidade consumidora com micro ou minigeração seja injetada na rede da distribuidora, a qual funcionará como uma bateria, armazenando esse excedente. Quando a energia injetada na rede for maior que a consumida, o consumidor receberá um crédito em energia (kWh) a ser utilizado para abater o consumo em outro posto tarifário (para consumidores com tarifa horária) ou na fatura dos meses subsequentes. Os créditos de energia gerados continuam válidos por 60 meses.

A geração distribuída vem assumindo uma maior relevância nos últimos anos como nos mostra a figura 3, tendo um crescimento exponencial com uma produção atualmente maior que 1GW, aumento esse que segundo estudos da ANEEL deve continuar ocorrendo nos próximos anos.

Figura 3 – Potência Instalada na Geração Distribuída

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A geração distribuída no Brasil devido à queda dos valores de mercado das placas solares, concentra-se na geração de energia elétrica através de sistemas solares fotovoltaicos. Estes respondem por aproximadamente 86,28% da potência instalada de geração distribuída no país, e tem uma tendência de crescimento principalmente em ambientes residenciais pelo aumento crescente da tarifa de energia elétrica no país e a facilidade de linhas de crédito, o que torna viável a população tendo em vista que a sua fatura de energia sofrerá uma redução abrindo um espaço no orçamento das famílias para o custeio dos sistemas. A figura 4 abaixo traz um panorama dos tipos de fontes de energia exploradas nessa modalidade de geração no Brasil.

Figura 4 – Potência Instalada Geração Distribuída por Tipos de Fontes

Fonte: ANEEL, 2018.

O sistema de compensação de energia como visto anteriormente não diz respeito apenas a sistemas fotovoltaicos de geração, outros modelos de geração também podem ser conectados à rede de energia da concessionária, tanto que atenda os moldes da geração distribuída.

A partir do incentivo a geração de energia elétrica utilizando fontes alternativas através do programa de geração distribuída em 2012, mas principalmente com a sua flexibilização que entrou em vigor no ano de 2016, vislumbra-se um nicho de mercado que pode ser ocupado por micro e minicentrais hidrelétricas, tanto em modelos convencionais como alternativos.

Visando otimizar os potenciais elétricos existentes no nosso cotidiano e obter eficiência energética, o aproveitamento da vazão e da pressão existente em sistemas de abastecimento de água surge como uma possibilidade de geração de energia capaz de se enquadrar no modelo de geração distribuída com a aplicação de turbinas nas redes principais de água.

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2.3 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA (SAA)

2.3.1 Introdução

O abastecimento de água à população, ainda que não sendo muito desenvolvido, já era efetuado pelos povos antigos. A necessidade de água e as escassas reservas de água potáveis levaram, os povos orientais em 2600 a.C. à captação de água subterrânea e ao armazenamento em reservatórios de terra. Em 1500 a.C. os egípcios purificavam a água captada e escreviam-se os primeiros cuidados com a água para consumo (Rezende e Heller, 2002).

Um SAA deve funcionar ininterruptamente fornecendo água de boa qualidade para o usuário em quantidade adequada e pressão suficiente. Os objetivos dos sistemas de abastecimentos de água estão intimamente relacionados com a saúde pública da população usuária de tal sistema, e podem ser consideradas sob dois importantes aspectos, aspecto sanitário/social e aspecto econômico (Barros 1995).

2.3.2 Constituição dos Sistemas de Abastecimento de Água

Entende-se por sistemas de abastecimento de água (SAA) o conjunto de equipamentos, obras e serviços voltados para o suprimento de água a comunidades, para fins de consumo doméstico, industrial e público (Gomes, 2004).

A concepção e o dimensionamento de cada parte do sistema de abastecimento de água ocorrem de forma integrada, apesar de cada unidade variar em termos de projeto de engenharia tais como: porte da cidade, topografia, posição em relação aos mananciais entre outros. De um modo geral, os sistemas são constituídos das seguintes partes:

• Captação;

• Estação elevatória; • Adutora;

• Estação de tratamento de água; • Reservatório;

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• Rede de distribuição.

Os sistemas de abastecimento de água (SAA) funcionam usando a força da gravidade, na figura 5 está ilustrado o funcionamento do sistema, a água tratada chega aos consumidores pela diferença de altura entre o reservatório e o ponto de entrega ao usuário, esse desnível gera uma pressão que não deve exceder limites estipulados pela NBR 12218.

Figura 5 – Sistema de Abastecimento de Água

Fonte: ECHOA Engenharia, 2016.

A qualidade de serviço de uma rede de abastecimento está associada à utilização de equipamentos e dispositivos que permitam controlar valores de pressão e de caudal, apesar do grande número de equipamentos existentes, o dispositivo de controle mais utilizado para redução de pressão é a válvula redutora de pressão (VRP).

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2.3.3 Válvula Redutora De Pressão (VRP)

A primeira redutora foi criada em 1876 e, apesar de bom desempenho, detinha 2 metros de altura. Estas dimensões conduziam a complicações no funcionamento dos sistemas de abastecimento de água. Só em 1930 surgiu a válvula de diafragma, modelo este que inspirou a produção mundial (WATTS, 2014).

As válvulas redutoras de pressão são dispositivos fundamentais para a manutenção do equilíbrio da pressão no sistema. Não são apenas usadas para entregar uma pressão aceitável ao consumidor, tem uma importante função no controle de perdas do sistema por excesso de carga, como também, auxiliam a minimizar rupturas de redes em cenários de baixo consumo onde ocorre uma pressurização da rede de abastecimento de água. As VRPs destinam-se a reduzir a pressão a jusante da água que entra na válvula a montante, através da introdução da perda de carga.

A válvula redutora de pressão pode funcionar de três modos distintos em que na primeira, figura 6 (a), a válvula encontra-se ativa, ou seja, quando a pressão a jusante é maior que o valor estabelecido, a válvula fecha de forma a aumentar a perda de carga localizada e assim reduzir a pressão. O segundo caso, válvula passiva aberta, figura 6 (b), ocorre quando a pressão a montante é inferior à pressão mínima estabelecida, esta abre totalmente diminuindo a perda de carga. Por fim, figura 6 (c), a pressão a jusante é maior que a de montante, designado por válvula passiva fechada, semelhante a uma válvula de retenção (Ramos et al., 2004).

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Figura 6 – VRP ativa (a), VRP passiva aberta (b), VRP passiva fechada (c)

Fonte: Ramos, 2004.

No estado ativo da VRP destacam-se quatro sistemas de funcionamento: VRP com carga constante e igual a um determinado valor, figura 7 (a), VRP com queda constante para qualquer valor de pressão a montante, figura 7 (b), VRP com carga constante variável no tempo, figura 7 (c), e, por último, VRP com carga ajustável automaticamente em função dos consumos, figura 7 (d) (Ramos et al., 2004).

Figura 7 – VRP com carga constante (a), VRP com queda constante (b), VRP com carga constante variável no tempo (c), VRP com carga constante ajustável ao consumo (d).

Fonte: (Ramos, 2004).

A utilização de microturbinas em sua substituição, apresenta-se como uma solução alternativa ao controle localizado das pressões e perdas energéticas do sistema. A existência de desníveis acentuados favorece a adoção deste tipo de

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solução, evitando a utilização de classes de pressão muito elevadas nas redes de distribuição, com a consequente diminuição de custos, e apresenta, ainda, o benefício associado à produção de energia em função dos consumos diários. É também um método a otimizar os recursos disponíveis nesses sistemas.

2.4 TURBINAS HIDRÁULICAS

As turbinas hidráulicas estão dividias basicamente em dois tipos (TIAGO FILHO, 1990):

• Turbinas de ação: a conversão da energia hidráulica em mecânica ocorre com o escoamento no rotor à pressão constante;

• Turbinas de reação: a pressão no rotor varia durante a conversão hidromecânica de energia.

A Figura 8 representa o campo de atuação de turbinas convencionais aplicáveis a micro e minicentrais hidrelétricas, sua escolha deve ser feita dentro das faixas de sobreposição utilizando os parâmetros vazão de projeto (Q) e queda líquida (HL) para seleção da melhor opção.

Figura 8 – Campo de aplicação de turbinas.

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A seleção da turbina pode ser feita utilizando também a Figura 9 utilizando os parâmetros queda líquida (HL) e rotação específica (nqA).

Figura 9 – Diagrama de Cordier

Fonte: Tiago Filho, 1990.

2.4.1 Turbinas Michell-Banki

É um dos tipos de turbina mais empregados em micro aproveitamentos hidrelétricos, dada sua simplicidade construtiva e baixo custo (SOUZA et al., 1999). É uma máquina de ação, cujo rotor se assemelha a uma roda d´água, sendo movimentado por um jato d´água largo, a figura 10 ilustra a turbina Michell-Banki e suas composições.

Figura 10 – Turbina Michell-Banki

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2.4.2 Turbinas Francis

São máquinas de reação, operando sob uma variada faixa de vazões e quedas. São constituídas basicamente das seguintes partes:

• Caixa: pode ser na forma de caracol, fechada, ou do tipo aberta, quando o rotor é instalado diretamente em um poço ou câmara;

• Distribuidor: componente formado por uma série de pás móveis que, além de direcionarem o fluxo (juntamente ao pré-distribuidor), permitem a regulagem da vazão turbinada em função da demanda;

• Rotor: composto de pás especiais, pode ser de vários tipos (lento, normal, rápido), em função das características do aproveitamento;

• Tubo de sucção: restitui a vazão turbinada pelo canal de fuga, além de recuperar parte da energia cinética da água que sai do rotor.

A figura 11 especifica os itens da turbina Francis.

Figura 11 – Turbina Francis

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2.4.3 Turbinas Pelton

Tem sua forma muito similar às antigas rodas d’água utilizadas em moinhos. Possui como distribuidor um bocal, que tem forma apropriada a guiar a água até as pás do rotor. As turbinas podem ter um, dois, quatro e seis jatos. Internamente ao bocal possui uma agulha para ajuste da vazão. O rotor tem uma série de pás em formato de conchas dispostas na periferia, que fazem girar o rotor.

Tem ainda um defletor de jato, que intercepta o jato, desviando-o das pás, quando ocorre diminuição violenta da potência demandada pela rede de energia. Nesses casos a atuação do defletor deve ser considerada ao invés da redução da vazão pelo uso da agulha, pois a ação rápida da agulha pode causar uma sobre pressão no bocal, nas válvulas e ao longo da tubulação forçada. Além do defletor, algumas turbinas Pelton de elevada potência têm um bocal direcionado para o dorso das pás de forma a atuar na frenagem, a figura 12 apresenta a turbina Pelton.

Figura 12 – Turbina Pelton

(31)

2.4.4 Turbinas Axiais

As turbinas axiais são aplicadas em aproveitamentos que possuam alta vazão e baixas quedas. Os rotores axiais são compostos por pás fixadas a um cubo, podendo estas ser fixas ou móveis. Quando as pás são fixas, denomina-se o rotor/turbina como hélice; sendo as pás móveis, o equipamento é chamado de Kaplan, pode-se observar o modelo na figura 13. Existem variações nos tipos de turbina empregando rotores axiais, sendo os principais as turbinas tubulares, bulbo e straflo.

Figura 13 – Turbinas Axiais

Finte: Souza et al., 1999.

2.5 GERADORES

As máquinas elétricas (geradores e motores) funcionam de acordo com o princípio da indução eletromagnética, descoberto por Michael Faraday em 1831. A indução eletromagnética é o fenômeno através do qual uma força eletromotriz, ou tensão, é gerada quando um corpo é exposto a um campo magnético variável, sendo a tensão proporcional à variação do campo. Quando esse corpo é um condutor, surge juntamente à tensão, uma corrente induzida (FITZGERALD et al., 1975).

Os geradores elétricos utilizados em centrais hidrelétricas são basicamente de dois tipos: síncronos ou assíncronos (SOUZA et al., 1999).

(32)

2.5.1 Geradores Síncronos

Os geradores síncronos operam com velocidade constante, sincronizada à frequência da tensão alternada aplicada em seus terminais. A variação do campo magnético necessária à indução eletromagnética é obtida através da rotação do componente denominado rotor, constituído de material ferromagnético envolto em um enrolamento. Esse enrolamento é chamado de enrolamento de campo, tendo a função de produzir um campo magnético constante que irá interagir com o campo produzido pelo enrolamento do estator (excitação). Este, por sua vez, é montado, de forma fixa, entorno do rotor, sendo também constituído de material ferromagnético envolto em um conjunto de enrolamentos distribuídos ao longo de sua circunferência. Os enrolamentos do estator são alimentados por tensões alternadas. O gerador síncrono recebe energia mecânica (potência de eixo) vinda da turbina, cuja rotação deve ser constante e controlada, uma vez que a frequência da tensão trifásica é função dessa velocidade. Como já mencionado, o enrolamento de campo do rotor deve ser alimentado por uma fonte de tensão contínua, de forma que, ao girar, o campo magnético gerado pelos polos do rotor tenha um movimento relativo aos condutores dos enrolamentos do estator. Esse movimento relativo produz a variação do campo magnético necessária à indução de tensão em seus terminais, de acordo com a lei de Faraday (FITZGERALD et al., 1975).

2.5.2 Geradores Assíncronos ou de Indução

Os geradores de indução trabalham com rotações um pouco diferentes da rotação síncrona. Podem possuir rotores bobinados, com anéis e escovas, ou do tipo gaiola de esquilo, sendo este último preferido por questões de manutenção e robustez (SOUZA et al., 1999).

Para que o gerador de indução possa converter a potência de eixo em potência ativa, é necessário fornecê-lo potência reativa, uma vez que ele é desprovido de enrolamento de campo, propriamente dito. Essa potência reativa pode ser fornecida pela rede, no caso de um sistema interligado, ou por um banco de capacitores. Quando se deseja operar com tensão e frequência constante, porém com velocidade

(33)

variável, deve-se utilizar um gerador de indução bobinado, conseguindo-se a excitação através de um ciclo-conversor (CHAPALLAZ et al., 1992).

2.5.3 Motor de Indução funcionando como gerador

O motor de indução pode ser utilizado como gerador elétrico e operando em reverso assim como a bomba. também pode trazer diversas vantagens econômicas e técnicas em sua utilização. Se utilizada como monobloco, ou seja, onde a bomba e o motor compõe um único equipamento sua aplicação é ainda mais atrativa pois não necessita de utilização de acoplamento. Os geradores de indução são caracterizados assíncronos pois a velocidade de rotação de trabalho é diferente da velocidade síncrona (DIAS et al., 2013).

A frequência da rede e o número de polos da máquina estabelecem a velocidade síncrona de acordo com a equação (2.1):

ns =

120 . f

p (2.1)

Sendo:

ns velocidade síncrona [rpm];

P número de polos da máquina [1]; f frequência síncrona [Hz].

O escorregamento é uma relação da velocidade relativa entre o campo girante e o rotor, sendo que para o MIT operar como gerador a velocidade do eixo deve ser superior a velocidade síncrona do motor (nr > ns) resultando em um escorregamento negativo, o escorregamento é dado pela equação (2.2):

s = ns - nr

(34)

Sendo:

s fator de escorregamento [1]; ns velocidade síncrona [rpm]; nr velocidade do rotor [rpm].

Para velocidades abaixo da velocidade síncrona o escorregamento é positivo e a máquina opera como motor, a operação como gerador é caracterizada pela velocidade do rotor superior a velocidade síncrona, e com isso o escorregamento é negativo. A velocidade do rotor é determinada pela máquina motriz, e deve ser observado que há um intervalo de rotação acima da velocidade síncrona no qual o rendimento é muito baixo. Este efeito é causado pelas perdas fixas relacionadas ao baixo nível de potência gerada nestas baixas velocidades (Simões, 2004). A figura 14 apresenta a curva característica do conjugado x velocidade, quando o motor de indução é acionado com uma rotação no eixo superior a velocidade síncrona inverte-se o inverte-sentido do conjugado induzido e então a máquina passa a operar não mais como motor, mas como gerador (CHAPMAN, 2013).

Figura 14 – Curva característica do conjugado x velocidade

(35)

A máquina assíncrona para funcionar como gerador precisa de uma corrente reativa de magnetização de uma fonte externa para estabelecer o campo magnético no entreferro entre o estator e o rotor do gerador. Os geradores de indução não são capazes de gerar energia sem essa fonte externa de reativa, esta fonte pode ser um capacitor que supra essa necessidade do reativo em sistemas isolados ou conectado à rede elétrica onde a própria rede suprirá a necessidade de reativo (DIAS et al., 2013). Em sistemas interligados o gerador de indução solicita energia reativa da rede devendo assim ser considerado a correção do fator de potência e reduzir o consumo reativo da rede.

O gerador de indução conectado à rede de distribuição de energia elétrica tem sua operação simplificada pois não necessita de sistemas controladores de tensão e frequência pois os mesmos são controlados pela rede e é de fácil sincronismo entre gerador e rede de energia.

2.5.4 Método de Seleção do MIG

O método de seleção que foi desenvolvido por (CHAPALLAZ et al., 1990), se caracteriza por ser um método simples que se baseia na potência de eixo que será fornecida ao gerador. Conhecendo a potência de eixo que será fornecida ao gerador é possível fazer a seleção do motor de indução utilizando o gráfico da figura 15 desenvolvido por (CHAPALLAZ et al., 1990) que foi obtido experimentalmente utilizando diversos motores.

Figura 15 – Pré-seleção do motor para ser utilizado como gerador

(36)

Sabendo a relação Pet/Pn da figura 15, calcula-se então a potência nominal do motor assíncrono conforme a equação (2.3).

Pn = Pet Pet Pn (2.3) Sendo:

Pn potência nominal do motor que será utilizado como gerador [kW]; Pet potência de eixo fornecida pela turbina [kW];

Pet/Pn relação experimental fig. 15 [1].

2.6 BOMBA HIDRÁULICA OPERANDO COMO TURBINA

2.6.1 Comportamento Hidráulico

As bombas hidráulicas são classificadas em três tipos, sendo estes definidos pela geometria do rotor e, consequentemente, pelo seu campo de operação. São elas, de acordo com Viana, 2001:

• Bombas centrífugas ou radiais: o escoamento ocorre, predominantemente, num plano perpendicular ao eixo. Aplicadas para baixas vazões e grandes alturas;

• Bombas de fluxo misto: o escoamento ocorre, simultaneamente, no sentido axial e radial. Operam com vazões e alturas médias;

• Bombas axiais: a direção do escoamento é predominantemente paralela ao eixo.

(37)

Figura 16 – Rotor radial (A), misto (B) e axial (C)

Fonte: Viana, 2012.

Os rotores podem ser do tipo fechado, semiaberto e aberto, demonstrados na figura 17, sendo que os dois últimos são usados em situações onde o fluído recalcado possua material sólido em suspensão (Viana, 2012).

Figura 17 – Rotor fechado (A), semiaberto (B) e aberto (C)

(38)

Para uma bomba centrífuga funcionar como turbina, o sentido do fluxo de escoamento de água se inverterá e, consequentemente, haverá a inversão no sentido de rotação (Balarim, 2004). O funcionamento de uma bomba centrífuga como bomba e como turbina é mostrado na Figura 18. No funcionamento como bomba (Figura 18a), o liquido entra na sucção (região de baixa pressão) e transforma energia de velocidade em velocidade em energia potencial através do rotor, saindo pela descarga. No funcionamento como turbina (Figura 18b), o liquido entra com energia de potencial, aciona o rotor em sentido inverso ao da bomba e sai com baixa energia potencial.

Figura 18 – Bomba centrífuga funcionando como bomba e como turbina

Fonte: Viana, 1987.

A figura 19 apresenta o campo de aplicação das bombas funcionando como turbinas através das faixas de sobreposição conforme modelo de bomba, se compararmos a faixa de atuação das BFTs com a faixa de atuação das turbinas convencionais, é notório a vantagem na utilização desta máquina levando em conta os valores característicos de redes de distribuição de baixa vazão.

(39)

Figura 19 – Campo de aplicação da BFT

Fonte: Chapalaz, 1992.

A alternativa de uso de bombas funcionado como turbinas (BFT), privilegia a utilização de equipamentos fabricados em série, ou seja, equipamentos facilmente encontrados no mercado, que possuem um baixo custo devido a produção em larga escala e por se tratar de equipamento mais simples que as turbinas convencionais. Porém, como toda a alternativa tecnológica, possui vantagens e desvantagens quando comparada com turbinas na mesma faixa de potência.

2.6.2 Vantagens e Desvantagens da BFT

As principais vantagens da BFT:

 As bombas são fabricadas em série, isso diminui tanto o custo de fabricação quanto de manutenção;

(40)

 Esquema de instalação simples, facilidade de implantação no caso de pequenas potências;

 É um equipamento robusto e suas peças podem ser encontradas com facilidade;

No entanto nem tudo é vantagem na BFT, segue as principais desvantagens encontradas na BFT:

 Possui um rendimento um pouco inferior se comparado as turbinas convencionais;

 Não possui um dispositivo de controle hidráulico incorporado (distribuidor);  Não permite variações de carga como uma turbina convencional;

Na Figura 20 podem observar-se as curvas características do funcionamento de bombas (funcionamento normal) e turbinas (ou bombas como turbinas), que caracterizam a variação da potência, altura de elevação / queda útil e rendimento com a variação de caudal.

Figura 20 – Curva de funcionamento como bomba e como turbina

(41)

2.6.3 Método de Seleção da BFT

Os trabalhos e pesquisas em torno da BFT nos últimos anos teve pequeno avanço, um dos principais motivos para tal é a dificuldade em se obter literaturas sobre o tema não se estabelecendo um método claro para o dimensionamento das bombas, e a falta de parceria entre centros de pesquisas e industrias para o desenvolvimento de uma turbina com uma melhor capacidade de produção de energia e melhor rendimento.

No Brasil, o estudo de Bombas Funcionando como Turbinas é uma das linhas de pesquisa do Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas - CERPCH, vinculado à Universidade Federal de Itajubá, e do Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos – CPH, da Universidade Federal de Minas Gerais. Os trabalhos desenvolvidos nestes laboratórios contemplam o processo de seleção da BFT, avaliações experimentais de desempenho e propostas de microssistemas de geração de energia elétrica.

No trabalho realizado por Viana (1987), é apresentada uma metodologia para a escolha da bomba funcionando como turbina baseada em resultados teóricos e experimentais, onde são levantados coeficientes experimentais de altura e de vazão da bomba, em função de sua rotação específica. Baseia-se em resultados experimentais de Kittredge (1961) e Buse (1981) e em ensaios de laboratório. O método é aplicável para uma determinada faixa de rotações específicas.

Lopes (2003) e Holder (2005) chegaram a uma metodologia de seleção de BFTs para a utilização em conjunto com um gerador assíncrono. A metodologia, que se baseia no modelo de Sharma (1985) e nas equações de Williams (1995), leva em consideração o tipo de sistema (isolado ou conectado à rede) e o escorregamento nominal do gerador assíncrono.

Singh (2005) avalia nove dos modelos para síntese das características da BFT e os compara com resultados experimentais que obteve a partir do ensaio de onze bombas em laboratório.

A avaliação feita por Singh (2005) mostra que o desempenho de cada metodologia depende da faixa de velocidade específica da bomba. Segundo o autor, os métodos são incoerentes e apresentam uma conformidade “medíocre”.

(42)

Além disso, o trabalho de Singh (2005) apresenta um estudo da otimização do projeto da BFT e do sistema como um todo, baseado em uma análise teórica detalhada. Uma das importantes contribuições do seu trabalho foram as pequenas modificações estruturais propostas e avaliadas experimentalmente, com o objetivo de reduzir as perdas hidráulicas internas da BFT.

Vilanova (2007) avalia o comportamento de um grupo moto-bomba operando como grupo gerador de energia elétrica, a partir de resultados experimentais. Além disso, quantifica as vantagens econômicas em relação a grupos convencionais baseados em turbinas Michell-Banki e Pelton.

2.6.4 Método de Viana

O método de seleção de BFT desenvolvido por Viana (2012) consiste na definição da altura e vazão de bombas comerciais para operar em reverso, através da utilização de coeficientes obtidos experimentalmente pelo autor, e nos trabalhos de Kittredge (1961) e Buse (1981), sendo estes relacionados ao nqA da BFT.

Dada a vazão de projeto (Q) e a queda líquida do aproveitamento (HL), calcula-se o nqA, através da equação (2.4), utilizando-se inicialmente a rotação (n) de 3600 rpm: nqA=10 3.n.√Q (HL.g) 3 4 (2.4) Onde: nqA rotação específica [1]; n rotação [rps]; Q vazão de projeto [m³/s]; HL queda líquida [m]; g aceleração da gravidade [m/s²].

(43)

Com o nqA, determinam-se na figura 21 os coeficientes de altura (ka) e vazão (kq). O método é aplicável para nqA na faixa de 60 a 200, caso a rotação específica não se encontre dentro da faixa de 60 a 200, recalcula-se o nqA utilizando n = 1800 rpm.

Figura 21 – Coeficientes de Vazão e Altura

Fonte: Viana, 2012.

De posse dos coeficientes, aplica-os nas equações (2.5) e (2.6) obtendo a altura da bomba e vazão da bomba, utilizando esses valores encontra-se em gráficos fornecidos pelo fabricante a BFT para o aproveitamento, sendo a altura da bomba determinada pela equação (2.5), e a vazão da bomba determinada pela equação (2.6):

(44)

Sendo:

Hb vazão da bomba [m];

HL queda líquida do aproveitamento [m]; Ka coeficiente de altura [1].

Qb = QL . Kq (2.6)

Sendo:

Qb vazão da bomba [m³/s];

QL queda líquida do aproveitamento [m³/s]; Kq coeficiente de vazão [1].

Como as bombas geralmente operam com rotações um pouco diferentes de 1800 e 3600 rpm, deve-se corrigir a altura e vazão encontradas para a rotação nominal da bomba, com as fórmulas de afinidade (2.7) e (2.8):

Hbc = ( nnb nt ) 2 . Hb (2.7) Qbc = nnb nt . Qb (2.8) Sendo:

Hbc altura da bomba corrigida para rotação nominal [m]; Hb altura da bomba [m];

(45)

nnb rotação nominal da bomba [rpm];

nt rotação da BFT [preferencialmente 1800 ou 3600 rpm]; Qbc vazão da bomba corrigida para rotação nominal [m³/s]; Qb vazão da bomba [m³/s].

A partir da altura corrigida e da vazão corrigida e também utilizando o rendimento da bomba, pode-se calcular a potência do eixo da BFT utilizando a equação (2.9): Pet = g . Qt . Ht . nt 1000 (2.9) Sendo: Pet potência de eixo da BFT [kW]; Qt vazão nominal [m³/s]; Ht altura nominal [m]; nt rendimento da BFT [1]; g aceleração da gravidade [m/s²]. 2.6.5 Método de Chapallaz

A metodologia proposta por Chapallaz (1992) assemelha-se à de Viana (2012), sendo, porém, aplicável a uma faixa maior de rotações específicas. Adotando-se a rotação da BFT de 3600 rpm, através da equação (2.10) define-se sua rotação específica no sistema técnico (nqt):

(46)

nqt = nt .√Q HL 3 4 (2.10) Sendo:

nqt rotação específica da BFT no sistema técnico [1]; nt rotação da BFT [rpm];

Q vazão de projeto da BFT [m³/s]; HL queda líquida do aproveitamento [m].

Outra diferença neste método consiste no cálculo da rotação especifica da bomba, baseando-se na rotação específica da BFT. A equação (2.11), obtida experimentalmente, permite tal cálculo.

nqbt = nqt

0,89 (2.11)

Sendo:

nqbt rotação específica da bomba [1]; nqt rotação específica da BFT [1].

Estima-se então a vazão da bomba com a equação (2.12):

Qqb = Qt

(47)

Sendo:

Qqb vazão nominal estimada da bomba [m³/s]; Qt vazão de projeto da BFT [m³/s].

Esta estimativa da vazão será útil, como se verá adiante, na determinação do rendimento da bomba. O coeficiente 1,3 é chamado de fator de conversão médio (CHAPALLAZ, 1992). Com base na rotação específica e na vazão da bomba estima-se o rendimento da bomba por meio da figura 22.

Figura 22 – Parâmetro de rendimento da bomba

(48)

Utilizando-se a nqbt e o rendimento teórico, interpolam-se nas figuras 23 e 24 os coeficientes de altura e vazão:

Figura 23 – Coeficiente de Altura

Fonte: Chapallaz, 1992.

Figura 24 – Coeficiente de Vazão

(49)

Determinam-se, então, a altura e vazão da bomba, através das expressões (2.13) e (2.14): Hb = HL Ca (2.13) Qb = Qt Cq (2.14) Sendo: Hb altura da bomba [m];

HL queda líquida do aproveitamento [m]; Qb vazão da bomba [m³/s];

Qt vazão de projeto da BFT [m³/s];

Ca coeficiente de altura de Chapallaz [1]; Cq coeficiente de vazão de Chapallaz [1].

Quando necessário, corrige-se a altura e a vazão estipuladas pelas equações (2.12) e (2.13) para a rotação nominal da bomba, de acordo com as leis de afinidades, estipuladas nas equações (2.7) e (2.8). Com os valores corrigidos, obtém-se no gráfico do fabricante o rendimento real da BFT, considerado igual ao da bomba no ponto determinado.

(50)

3 APLICAÇÃO DE BFT EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO

Com o objetivo de realizar um estudo voltado a aplicação prática da BFT em sistemas de abastecimento de água essa etapa do trabalho tem por objetivo dimensionar um grupo gerador a ser instalado em uma rede de distribuição de água da Companhia Riograndense de Saneamento – CORSAN.

3.1 LOCAL DE INSTALAÇÃO

O estudo visa a aplicação de um grupo gerador para aproveitamento da energia que é dissipada na VRP – Bairro Planalto, dimensionando a bomba a funcionar como turbina e o gerador a ser utilizado, bem como fazer uma análise econômica da implantação desse tipo de geração.

A VRP – Bairro Planalto encontra-se localizada entre as ruas Sinval Saldanha e Guanabara no município de Santa Rosa – RS, a válvula tem por objetivo a redução da pressão da água que desce por gravidade do reservatório que está junto a estação de tratamento de água no centro da cidade e está instalada em uma rede com diâmetro de 150mm.

Um levantamento de dados foi realizado junto a empresa CORSAN para o dimensionamento do sistema de microgeração, dados de vazão e pressão foram coletados bem como o comportamento da carga. Diferentemente de sistemas de geração com aproveitamentos hidráulicos convencionais, esse tipo de sistema não possui uma vazão contínua, mas sim uma vazão variável como ilustra o gráfico da figura 25.

(51)

Figura 25 – Gráfico de vazão por horário

Fonte: Autoria própria, 2019.

Outro dado importante para a seleção da turbina é pressão ao qual será submetida, nesse caso a pressão se mantém constante com uma pequena variação que resulta do nível de água em que se encontra o reservatório que abastece essa rede, comportamento ilustrado no gráfico da figura 26.

Figura 26 – Gráfico da pressão por horário

Fonte: Autoria própria, 2019. 0 2 4 6 8 10 12 14 00 :0 0 0 1 :0 0 0 2 :0 0 0 3 :0 0 0 4 :0 0 0 5 :0 0 0 6 :0 0 0 7 :0 0 0 8 :0 0 0 9 :0 0 1 0 :0 0 11 :0 0 1 2 :0 0 1 3 :0 0 1 4 :0 0 1 5 :0 0 1 6 :0 0 1 7 :0 0 1 8 :0 0 1 9 :0 0 2 0 :0 0 2 1 :0 0 22 :0 0 2 3 :0 0 V az ão L/s

Vazão

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0 :0 0 0 1 :0 0 02 :0 0 0 3 :0 0 0 4 :0 0 0 5 :0 0 0 6 :0 0 0 7 :0 0 0 8 :0 0 0 9 :0 0 1 0 :0 0 1 1 :0 0 1 2 :0 0 1 3 :0 0 1 4 :0 0 1 5 :0 0 1 6 :0 0 1 7 :0 0 18 :0 0 1 9 :0 0 2 0 :0 0 2 1 :0 0 2 2 :0 0 2 3 :0 0 P res s ão ( m c a)

Pressão

(52)

O trabalho proposto visa a seleção de um grupo gerador a funcionar aos moldes da geração distribuída, ou seja, conectado à rede de distribuição de energia da concessionária local e, portanto, necessita que essa geração possua controles de tensão e frequência aceitáveis.

Com base nos dados coletados no ponto de interesse da instalação do grupo gerador pode-se fazer a seleção da BFT que será utilizada, porém uma análise deve ser realizada em respeito a vazão do sistema. A vazão característica em sistemas de abastecimento de água é variável conforme a utilização da água pelos usuários ilustrado na figura 25.

Existem alguns modelos de geração que trabalham em velocidade variável como é o caso da geração eólica, que pela grande variação da velocidade do vento utiliza esse tipo de sistema através de inversores back-to-back que possui um controle de variação de 30% (trinta por cento) para valores acima e para valores abaixo de tensão e frequência, tendo um aumento de produção de energia. Porém sistemas com esse tipo de configuração elevam consideravelmente os custos de instalação da geração não sendo uma boa alternativa para pequenos aproveitamentos de energia.

Desta forma, é necessário se fazer o controle de vazão, porém sem prejudicar a principal função do sistema de abastecimento de água que é suprir a demanda necessária de água aos usuários. Para que isso ocorra a instalação do grupo gerador será feito não em substituição a VRP, mas sim no funcionamento em paralelo a mesma.

O ponto de maior aproveitamento se dá em uma média dos valores de maior consumo, fazendo uma análise na figura 25 o melhor ponto de operação se dá na vazão de 9,0 L/s, gerando energia elétrica em 17 horas do dia com funcionamento em velocidade constante da turbina conforme ilustra a figura 27.

(53)

Figura 27 – Ponto de operação do grupo gerador

Fonte: Autoria própria, 2019.

O conjunto motor-gerador será instalado de modo a operar em velocidade fixa, para esse controle será utilizado uma válvula que fará o controle de vazão da BFT operando em paralelo a VRP.

3.2 SELEÇÃO DA BFT

A partir do levantamento de dados junto a empresa de saneamento pode-se realizar a seleção da BFT, os dados extraídos são a média das pressões horárias e a vazão adotada levando em consideração a análise do comportamento de consumo de água nesse ponto de aproveitamento. A tabela 3.1 indica a pressão e vazão a ser utilizada para o dimensionamento.

Tabela 3.1 - Dados do Aproveitamento

Vazão Q (L/s)

Pressão H (mca)

9 40,8

Fonte: Autoria própria, 2019. 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0 :0 0 0 1 :0 0 0 2 :0 0 0 3 :0 0 0 4 :0 0 0 5 :0 0 0 6 :0 0 0 7 :0 0 0 8 :0 0 0 9 :0 0 1 0 :0 0 1 1 :0 0 1 2 :0 0 1 3 :0 0 1 4 :0 0 1 5 :0 0 1 6 :0 0 1 7 :0 0 1 8 :0 0 1 9 :0 0 2 0 :0 0 2 1 :0 0 2 2 :0 0 2 3 :0 0 V az ão L/s

Vazão

(54)

Os cálculos de dimensionamento da BFT seguirão o método proposto por Viana apresentado no capitulo 2.6.4 Método de Viana. Se utilizará a rotação supersíncrona de 3620 rpm pois as máquinas de 2 polos são os modelos de mais baixo custo, e também levando em consideração que o motor a ser utilizado é de 3500rpm sendo assim a 3620 rpm o motor opera como gerador. Se os valores encontrados não forem compatíveis com o método de seleção então recalcula-se os parâmetros para a rotação de 1800 rpm. Incialmente aplicasse a equação (2.4) para calcular a rotação específica. nqA = 10 3 .n.√Q (HL.g) 3 4 = 10 3 .60,33.√0,009 (40,8.9,8)34 = 64,01

Com a rotação específica define-se no gráfico da figura 21 o coeficiente de vazão (Ka), e o coeficiente de altura (Kq) traçando uma reta até a curva característica de cada coeficiente, para dimensionar a bomba a funcionar como turbina, como ilustra a figura 28.

Figura 28 – Coeficientes de Vazão e Altura para BFT

(55)

Com a realização da interpolação gráfica na figura 28 encontra-se o coeficiente de altura da bomba (Ka) em 0,7 e o coeficiente de vazão (Kq) em 0,73. De posse dos dados dos coeficientes aplica-se a equação (2.5) e (2.6) para determinar a altura e vazão da bomba a ser selecionada.

Hb = HL . Ka = 40,8 . 0,7 = 28,56 m

Qb = QL . Kq = 0,009 . 0,73 = 0,00657 m3/s

Em um dimensionamento mais preciso é necessário se fazer a correção da altura e da vazão levando em conta que as bombas não operam a 3620 rpm, porém devido ao escorregamento do motor operam em 3500 rpm. Aplica-se então as equações de afinidade (2.7) e (2.8). Hbc = ( nnb nt) 2 . Hb = ( 3500 3620) 2 . 28,56 = 26,69 m Qbc = nnb nt . Qb = 3500 3620. 0,00657 = 0,00635 m³/s

Se faz necessário também calcular a potência no eixo da BFT para selecionar o gerador para o aproveitamento, utilizando a equação (2.9).

Pet = g . Qt . Ht . nt 1000 =

9,8 . 9 . 40,8 . 0,6

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Com todos os dados necessários obtidos, pode-se selecionar uma BFT nos catálogos dos fabricantes de bombas, levando em consideração a vazão e a altura manométrica obtidas pelas equações de afinidades, a tabela 3.2 será utilizada como base para a seleção da mesma.

Tabela 3.2 - Dados para seleção da BFT

Parâmetro Valor

Rotação específica [1] 64,01

Coeficiente de vazão [Kq] 0,73

Coeficiente de altura [Ka] 0,7

Vazão de projeto [m³/h] 32,4

Altura de projeto [m] 40,8

Vazão da bomba [m³/h] 23,65

Altura da bomba [m] 28,56

Vazão da bomba corrigida [m³/h] 22,86

Altura da bomba corrigida [m] 26,69

Rotação da bomba [rpm] 3500

Potência de eixo da bomba [KW] 2,16

Fonte: Autoria própria, 2019.

Uma análise em catálogos de diversos fabricantes foi realizada para a seleção da BFT a ser utilizada no aproveitamento, além dos parâmetros calculados para o dimensionamento da mesma foi levado em consideração o rendimento da bomba, desta maneira, a BFT selecionada foi da marca DANCOR padrão 645JM modelo 414 TJM conforme tabela de seleção da figura 29 que é disponibilizada pelo fabricante.

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Figura 29 – Tabela de seleção da bomba

Fonte: Adaptado de Dancor, 2019.

A bomba escolhida possui um rendimento de 60%, valor obtido através da curva característica fornecida pelo fabricante. Assim, com o rendimento e utilizando a vazão de projeto e altura de projeto, é possível estimar a potência elétrica que esse aproveitamento pode oferecer.

3.3 SELEÇÃO DO MIG

O gerador a ser utilizado no sistema tem que atender alguns requisitos importantes sabendo que será utilizado na geração distribuída, tensão e frequência tem que estar dentro das normas de qualidade da concessionária.

Sendo assim, a utilização de motores de indução a funcionar como geradores se torna a melhor alternativa para o projeto pois tem um custo menor de investimento e a tensão e frequência são definidas pela rede ao qual estará interligado.

O dimensionamento do gerador utilizará a metodologia exposta no capítulo 2.5.4 que especifica a seleção do MIG utilizando a potência de eixo da BFT que é de 2,16KW para a interpolação gráfica da figura 30.

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Figura 30 – Pré-seleção do motor para ser utilizado como gerador

Fonte: Adaptado de CHAPALLAZ et al., 1991.

Feito a análise gráfica encontrou-se um valor aproximado Pet/Pn = 1,03, utilizando a equação (2.3), calcula-se a potência nominal do motor a ser utilizado como gerador. Pn = Pet Pet Pn = 2,16 1,03 = 2,09KW

Utilizando a potência nominal calculada anteriormente que é de 2,09KW, seleciona-se o motor a partir dos catálogos dos fabricantes, como não existe motor exatamente com essa potência, selecionamos um motor com potência ligeiramente maior que a calculada.

Analisando a bomba a funcionar como turbina, o fabricante dispõe no conjunto bomba-motor, um motor de 2,94KW da marca WEG que atende a necessidade do projeto e facilita na cotação dos valores para cálculos de custos do sistema. Suas principais características são:

 Rotação 2 polos – 3500rpm – 60Hz;  Trifásico 220/380V;

 Rendimento 88,5%;  Grau de proteção IP55.

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4 AVALIAÇÃO ENERGÉTICA E ANÁLISE ECONÔMICA

Após verificada a factibilidade da instalação da BFT em redes de distribuição de água, esta etapa do trabalho tem por objetivo a avaliação energética e a análise econômica do projeto através do método de compensação de energia em vigência conhecido como geração distribuída.

O sistema de compensação ocorrerá com a conexão do grupo gerador a rede de distribuição de energia da concessionária a partir de um ponto de medição com medidor bidirecional que é instalado pela concessionária sem custos para a microgeração.

Os sistemas de geração de energia são alvos de constantes investimentos tanto pelo setor público como pelo setor privado, mas para tal, se faz necessário que esse investimento tenha retorno em um período de tempo aceitável.

4.1 AVALIAÇÃO ENERGÉTICA

A potência elétrica gerada é calculada a partir da equação (4.1) utilizando a vazão de projeto, a altura de projeto, o rendimento da BFT, o rendimento do MIG e o rendimento do acoplamento.

Pel = g . Qt . Ht . nt . ng . nac (4.1)

Sendo:

Pel potência elétrica do aproveitamento [KW]; g aceleração da gravidade [m/s²];

Qt vazão de projeto [m³/s]; Ht queda de projeto [m]. nt rendimento da BFT [1];

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ng rendimento do gerador [1]; nac rendimento do acoplamento [1];

O conjunto bomba-motor é do tipo monobloco que é considerado acoplamento direto, na aplicação da equação (4.1) o rendimento do acoplamento direto é considerado 100% para o cálculo da potência elétrica gerada.

Pel = g.Qt .Ht.nt.ng .nac = 9,8.0,009.40,8.0,6.0,885.1 = 1,91KW

A quantidade mensal de energia gerada é calculada levando em consideração a quantidade de horas de geração diária, com o sistema trabalhando em velocidade fixa em 9,0L/s, pode-se gerar energia das 6:00 as 22:00, em 17 horas do dia como ilustra a figura 31.

Figura 31 – Produção de energia horária

Fonte: Autoria própria, 2019. 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0 :0 0 0 1 :0 0 0 2 :0 0 0 3 :0 0 0 4 :0 0 0 5 :0 0 06 :0 0 07 :0 0 08 :0 0 09 :0 0 10 :0 0 1 1 :0 0 1 2 :0 0 1 3 :0 0 1 4 :0 0 1 5 :0 0 1 6 :0 0 1 7 :0 0 1 8 :0 0 1 9 :0 0 2 0 :0 0 2 1 :0 0 2 2 :0 0 2 3 :0 0 V az ão L/s

Vazão

Referências

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