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VIABILIDADE DE PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NA REDE DE
DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA – ESTUDO DE CASO MUNÍCIPIO DE PIQUETE
André Sandor Kajdacsy Balla Sosnoski 1* & Arisvaldo Vieira Mello Junior 2
Resumo – A Produção de energia elétrica esta seguindo uma tendência de redução no tamanho dos
aproveitamentos e a descentralização dos pontos de geração ESHA (2011). Uma das soluções para
esta tendência é a de produzir energia de fontes ainda não exploradas.
Estudos recentes identificaram a possibilidade de utilizar as redes de distribuição de água como
fontes de produção de energia. Este aproveitamento seria possível com o uso das pressões elevadas
na rede e da possibilidade de substituição das válvulas redutoras de pressão no por turbinas
hidrelétricas.
O artigo discorre sobre a aplicação do procedimento desenvolvido anteriormente por Sosnoski
(2014) que visa analisar a viabilidade desta categoria de aproveitamento. O procedimento tem foco
no uso de modelos de simulação das redes de abastecimento de água, e na otimização do número e
dimensão das turbinas a serem instaladas.
Como resultado do estudo de caso, foram encontradas características da rede de distribuição que são
sensíveis aos aproveitamentos, e quais seriam as medidas a serem tomadas para contornar os
problemas envolvidos na geração de energia, e os valores obtidos ao aplicar os aproveitamentos na
rede do Município de Piquete.
Palavras-Chave – Mini e micro hidrelétricas, Distribuição de água, Energia.
VIABILITY TO PRODUCE ENERGY INSIDE WATER DISTRIBUTION
NETWORKS – PIQUETE’S CASE STUDY
Abstract – Electric energy production is following a tendency to reduce and decentralize its
production sites ESHA (2011). One of the solutions to keep up with this tendency is to produce
energy from unexplored potential.
Recent studies identified the possibility to use water distribution networks as a potential choice for
energy production. This possibility would be possible using the network’s high pressure and the
possibility to substitute pressure reduction valves with hydroelectric turbines.
This article contains the application of the procedures developed previously by Sosnoski (2013),
and analyzes this energy generation viability.
The procedure focus on the use of water distribution networks simulation and optimization on
selecting the number and dimension of water turbines to be installed.
Resulting from the case study, it was acknowledged that some water distribution network
characteristics are very sensible to turbine installation and generated a discussion on what measures
should be implemented to surpass this problems. The article also presents the results on energy
generation and dimensions for the installation of mini and micro turbines.
Keywords – Mini and Micro hydroeletrics, water distribution, energy.
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Universidade de São Paulo e [email protected].
Universidade de São Paulo e [email protected].
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INTRODUÇÃO
A geração de energia descentralizada e de pequena escala é uma tendência mundial segundo
dados da ESHA (2011). O destaque para esta geração se dá pela necessidade de produzir energia de
modo a suprir as necessidades dos usuários de forma mais econômica e limpa.
Energia solar, eólica e hidrelétrica são as três principais vertentes da mini e microgeração, que
dão respaldo para a geração descentralizada. Estas fontes de energia são utilizadas como fontes
complementares, e não de substituição às principais fontes de geração.
A produção de energia elétrica por meio da instalação de mini e/ou micro hidrelétricas na rede
de distribuição de água aproveita a energia presente no sistema de abastecimento de água.
Seguidos estudos apresentam características semelhantes ao avaliar a viabilidade de ate tipo
de aproveitamento, como apresentado por Lima (2013), Silva (2012), Nicola (2012), Caravetta et. al
(2013).
Como revelam os estudos neste artigo, os benefícios da produção de energia são também
complementados pela redução das perdas de água na rede de abastecimento. Esta característica é
eficaz pela redução das pressões, o que influencia diretamente na redução das perdas de água na
rede.
O uso de modelos matemáticos e de otimização ligados às características dos aproveitamentos
são ferramentas de extrema importância para descrever qual é o comportamento, e quais seriam os
parâmetros de controle para o dimensionamento das mini e/ou micro turbinas.
Com a introdução de componentes exógenos ao sistema de abastecimento na rede de
distribuição, é exigido que eles não interfiram na sua principal função. O fornecimento de água em
quantidade e qualidade para o consumo deve ser mantido em qualquer condição, portanto, com a
introdução das turbinas, as pressões estabelecidas pelas normas brasileiras devem ser
correspondidas, assim como a contaminação da água deve ser evitada.
Os estudos apontam também para o desenvolvimento dos procedimentos de analise da
viabilidade, desenvolvidos anteriormente por Sosnoski (2013), onde são consideradas as
características da rede de distribuição com a ajuda do modelo de simulação matemática EPANET.
Com a ajuda dos procedimentos e ferramenta de cálculo, foi possibilitada a análise do número
de aproveitamentos, as dimensões das turbinas, a quantidade de energia gerada e os horários e
configuração da atuação.
O artigo apresenta o resultado do estudo de viabilidade da instalação no sistema produtor de
água do município de Piquete, localizado no vale do Paraíba em São Paulo
ESTUDO DE CASO
O Município de Piquete está situado na porção central do vale médio do Rio Paraíba no
Estado de São Paulo, entre o trajeto da Cidade de São Paulo ao Rio de Janeiro pela via Dutra. O
Município se encontra nas encostas da Serra da Mantiqueira.
Ele faz limites com os municípios de Delfim Moreira ao norte, Lorena e Cachoeira Paulista ao
sul, Guaratinguetá e Aparecida a oeste e Cruzeiro ao leste, e tem grande parte de seu território
dentro de uma área de preservação ambiental de mata atlântica.
Possui área de 176 km² e população de 14.709 habitantes resultando em uma densidade
demográfica de 86,29 hab/km² (IBGE, 2009).
O relevo do Município é bastante acidentado por estar localizado na serra da Mantiqueira.
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A serra possui elevadas escarpas e morros isolados (Prefeitura de Piquete, 2013), o que torna
as condições favoráveis ao aproveitamento energético proposto neste trabalho. Na Figura 1, é
possível notar a irregularidade do relevo do município.
Figura 1 – Fotografia do relevo do Município de Piquete. Fonte: CAB Piquete
Já na Figura 2, vem caracterizada a rede inicialmente simulada pelo software EPANET,
ressaltando as pressões atingidas nos nós do modelo sem qualquer válvula ou dispositivo de
controle de pressões instalado.
Figura 2 – Rede do Município de Piquete modelada segundo escala de pressão
METODOLOGIA
Inicialmente imaginou-se a rede de distribuição do Município como uma rede ainda em fase
de projeto. Decidiu-se utilizar a rede desta forma, pois assim as pressões e vazões estariam em seu
estágio mais básico, apresentando todo o potencial possível de instalação energética.
Apesar de utilizar a rede em fase de projeto, foram selecionadas as curvas de demanda e a
calibração previamente realizada pelos projetistas da rede atual. Desta forma, as condições de
contorno para o cálculo das vazões ao longo do dia poderiam ser consideradas como sendo as
curvas já presentes na rede devidamente calibrada.
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Com esta informação é possível criar um cenário para o cálculo das estruturas e determinar
quais seriam as perdas de carga possíveis para cada trecho. Este procedimento visa não afetar as
condições de abastecimento exigidas pela normativa NBR 12218.
Observando a curva de demanda e calculando as pressões, foram selecionados os pontos de
menor pressão na rede, utilizando-os como condição de contorno para que a menor pressão atingida,
não seja inferior a 10 metros de coluna d’água. Além deste parâmetro, foram selecionados os
horários críticos de pressão conforme as curvas de consumo indicam.
A seguir, verifica-se que para o ponto mais crítico da rede (de menor pressão) existe a
variação horária de consumo, e também que as pressões são inversamente proporcionais às vazões.
Estes desenvolvimento determina que o horário crítico de pressões a ser aplicado nos cálculos é às
12:00.
Figura 3 – Pressão para ponto no modelo calibrado da rede de abastecimento de Piquete
Figura 4 – Vazões para ponto no modelo calibrado da rede de abastecimento de Piquete
Foi possível então constatar que apesar de apresentar potencial para a geração, a variação
diária e sazonal da demanda influencia profundamente a geração de energia. A energia gerada
depende diretamente tanto da vazão quanto da pressão na rede. No entanto, como elas são
inversamente proporcionais, seria necessário identificar o ponto ótimo de atuação das turbinas, onde
teriam pressão e vazão suficientes para gerar energia.
Considerando as condições de pressão, vazão e pontos ótimos de funcionamento das turbinas,
utilizou-se o procedimento de cálculo desenvolvido anteriormente por Sosnoski (2013), onde são
encadeadas as atividades necessárias para a avaliação da viabilidade e instalação das mini e/ou
micro turbinas.
O procedimento de cálculo possui 4 passos principais.
- Seleção dos pontos de melhor aproveitamento e número de turbinas
- Dimensionamento das perdas de carga admissíveis
- Dimensionamento das turbinas
- Redução das perdas
Todas estas etapas estão interconectadas, pois dependem da variação da perda de carga
introduzida com a adição de turbinas na rede.
Desta forma, é interessante encadear os cálculos, obtendo o valor inicial da perda de carga de
cada turbina, e posteriormente aprimorada por meio de um modelo de otimização (casos de maior
complexidade) ou por um simples processo iterativo de forma manual nos casos mais simples,
como o de Piquete.
A escolha dos pontos de aproveitamento foi proposta seguindo o procedimento de Sosnoski
(2013), onde determinou-se que os aproveitamentos não teriam potencial inferior a 0,8 kW.
Calculando os potenciais pela simples multiplicação de vazão e pressão, e classificando-os de forma
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decrescente, foram identificados apenas 5 pontos de aproveitamento com potencial superior ao
valor desejado.
Estes pontos passaram por uma nova seleção, onde foram calculados com a ajuda da
determinação de um caminho crítico entre o ponto de aproveitamento e o ponto de menor pressão
na rede, os valores máximos admissíveis de perda de carga no ponto dos aproveitamentos.
Lembrando-se que este cálculo foi feito considerando que no ponto crítico da rede, a pressão não
deveria ser inferior a 10 mca, determinada pela norma brasileira.
A partir dos cálculos de perda de carga possíveis com o caminho crítico, restaram apenas 3
pontos de aproveitamento dentro das conformidades normativas.
Com os três pontos de instalação das turbinas selecionados, foi possível dimensiona-las para o
melhor aproveitamento energético.
Foram então determinadas as curvas de potencia em cada um dos três pontos de
aproveitamento, e definidos os valores ótimos de pressão para que houvesse maior geração.
Neste processo, identificou-se que o valor de pressão ótima para o dimensionamento das
turbinas era maior do que o valor limite dimensionado anteriormente pelo caminho crítico de
pressões em apenas um dos três pontos de aproveitamento. Nos dois pontos restantes, as pressões
ótimas para as turbinas se encontram ainda dentro dos limites determinados anteriormente.
Ou seja, para este ponto de aproveitamento, seria necessário verificar as causas desta
discrepância. Ao analisar mais a fundo as condições nas quais esta turbina seria instalada, foi
possível justificar a diferença, pois o comportamento das demandas neste ponto variava
consideravelmente no período de 24 horas estudado.
Desta forma, dependendo das condições de demanda, a turbina poderia ou não ser ativada,
para que pudesse gerar a energia de forma ótima.
Com esta informação, decidiu-se que as turbinas funcionariam em configuração de “by-Pass”
paralelamente à rede de distribuição.
Assim, a atuação das turbinas não influenciaria no abastecimento de água em caso de
manutenção, enquanto também poderiam ser operadas para funcionar em determinados períodos
onde a pressão seria ótima para a geração de energia.
Nestas condições, foram aplicadas ao modelo as perdas de carga introduzidas pelas turbinas já
otimizadas, sendo possível calcular a influencia delas na redução de perdas d’água na rede de
abastecimento, e calcular a diferença de vazões perdidas ao longo de um dia.
RESULTADOS
Como resultados, ao final do procedimento, foram obtidos os valores de perda de carga
adicionados pela adição das turbinas, obtendo os seguintes valores. Lembrando-se que estes
desníveis foram adotados para a manutenção das pressões na extremidade da rede:
- Aproveitamento ponto 1: 11.42 m
- Aproveitamento ponto 2: 16.67 m
- Aproveitamento ponto 3: 4.99 m
A atuação das turbinas no ponto 1 e 2 não necessitaram operação para seu funcionamento,
pois possuem pressão suficiente para atingir o ponto ótimo de funcionamento da curva de potência
das turbinas. Em contrapartida, no ponto 3 foi exigida a operação do acionamento da turbina,
resultando em períodos de geração, intercalados com períodos de passagem livre da vazão pelo
sistema de “by-Pass” projetado. Tal comportamento pode ser acompanhado na Figura 5, onde o
acionamento da turbina ocorre seguindo a seta azul.
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Figura 5 – Períodos de atuação da turbina no ponto no ponto
Com a definição das perdas de carga introduzidas na rede de distribuição, foi possível
verificar qual foi o comportamento das pressões em toda a rede. Desta forma, foi possível
caracterizar as perdas de água, relacionando-a a redução das pressões e calculando de forma
simplificada a vazão perdida antes e depois dos aproveitamentos energéticos.
O procedimento de cálculo das perdas foi realizado com o equacionamento proposto por Zyl
(2004), permitindo uma aproximação para as constantes C e α, 7,5 e 0,5 respectivamente.
(1)
Os valores obtidos representam a soma das perdas em todos os trechos da rede.
- Antes da instalação das turbinas - 3.932,4 l/hora
- Após a instalação das turbinas - 3776,8 l/hora
A seguir é apresentado na Tabela 1 o resumo dos equipamentos, potencia e energia gerada
para cada um dos pontos de aproveitamento propostos.
Tabela 1 – Resultados da instalação dos equipamentos propostos
Equipamento
Potência (kW)
Energia gerada
(kW/dia)
Aproveitamento 1
XJ22-1.1DCTH4-Z
1,15
27,6
Aproveitamento 2
XJ25-1.5DCTH4-Z
1,71
41,04
Aproveitamento 3
XJ14-0.3DCT4-Z
0,053
0.32
Identificação
DISCUSSÃO
A instalação de turbinas proporcionou a redução das pressões na rede, efeito semelhante ao
resultante da instalação de válvulas redutoras de pressão na rede.
Estes valores representam uma redução marginal das vazões de perda que, no entanto
reduzem os custos e proporcionam benefícios para a manutenção dos mananciais.
Portanto, os lucros com a instalação das turbinas podem ser divididos em dois valores
distintos, sendo eles, os valores usualmente obtidos com a venda de água, e os lucros obtidos
somado os ganhos com a produção de energia e com a redução das perdas promovida pelas
turbinas.
Desta forma, foram obtidos 1.611,5 R$ /dia de lucro que seria normalmente obtido e 66,45 R$
/dia de lucro adicional somando a produção de energia com os lucros na redução das perdas.
Com o custo dos equipamentos sendo igual à multiplicação entre a potência instalada e o
valor médio das instalações de 13.500,00 R$/kW, foram obtidos os custos de:
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A estes valores, deve-se somar o custo das obras civis, que foram aproximados dobrando o
valor total da instalação, definindo um valor total aproximado de R$ 78.651,00 em equipamentos e
instalação.
Os valores dos equipamentos serão abatidos ao longo de um tempo de retorno do
investimento calculado a partir da diferença entre os lucros normais e os com aproveitamento, de
66,45 R$/dia como calculado anteriormente, e que soma em um ano o valor de R$ 24.254,25.
Desta forma, o tempo de retorno dos investimentos com infraestrutura e equipamentos seria
de 3,2 anos.
Portanto, é possível afirmar que é economicamente viável a instalação das turbinas.
O procedimento de avaliação utilizado permitiu de forma simples os cálculos dos parâmetros
desejados, não necessitando de ferramental de cálculo complexos.
Devido à baixa complexidade da rede estudada, os parâmetros foram definidos manualmente
por tentativa e erro.
A utilização das turbinas como dispositivos de controle das pressões e consequentemente de
perdas para avaliar a viabilidade das instalações deve levar em conta que os benefícios resultantes
desta aplicação também poderiam ser obtidos com a simples instalação de válvulas redutoras de
pressão e controle.
Desta forma, a avaliação completa para determinar qual seria a medida mais vantajosa de
instalação ou projeto das redes de distribuição, deve partir da comparação dos resultados de ambos
cenários.
CONCLUSÃO
O uso do estudo de caso como ferramenta para confirmar a possibilidade técnica de instalar e
posicionar sistemas de aproveitamento energético na rede de distribuição de água foi proveitoso, e
demonstrou suscintamente que é viável a introdução dos aproveitamentos na rede do Município de
Piquete.
Os procedimentos de dimensionamento dos equipamentos apresentou alguns desafios que
devem ser enfrentados com a introdução de turbinas em um sistema de abastecimento, mantendo a
distribuição de água em quantidade e qualidade adequadas.
Em relação a produção de energia, os valores encontrados foram baixos, no entanto coerentes
com as dimensões da rede de distribuição de água estudada. Foi possível abater totalmente os custos
com bombeamento de água do município.
Analisando o benefício da redução de perdas de água, a proposta trás características que
superam as medidas que são adotadas atualmente e que lidam apenas com o controle de pressões,
como as válvulas redutoras de pressão.
Desta forma agrupando estas informações é suficiente avaliar que a viabilidade do
procedimento proposto, enquanto a metodologia aplicada, vêm incluir uma alternativa interessante
para o aprimoramento dos sistemas de abastecimento, sejam elas redes já instaladas ou em fase de
projeto.
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REFERÊNCIAS
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Nicola Fontana; Maurizio Giugni; and Davide Portolano, Losses Reduction and Energy Production
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SOSNOSKI, A. S. K. B.; JUNIOR, A.V.M. (2013). Instalação de mini e micro aproveitamentos
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SOSNOSKI, A. S. K. B.. Método generalizado para análise de viabilidade de produção de energia
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Water Institute of Southern Africa (WISA) Biennial conference, May 2004, Cape Town, South
Africa. ISBN: 1-920-01728-3
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