Projeto de uma Micro Central Hidrelétrica para uma Propriedade Rural

Resumo

BARBIERI, Alex. Projeto de uma Micro Central Hidrelétrica para uma Propriedade Rural. 2005, 109 f. Trabalho de Conclusão de Curso – TCC (Bacharelado em Engenharia Agrícola). Curso de Engenharia Agrícola, Centro Universitário Luterano de Palmas, CEULP/ULBRA.

Sistemas de produção de energia através de pequenas centrais hidrelétricas (PCH’s) são alternativas para comunidades rurais desprovidas ou com baixa oferta de energia elétrica. Por serem os empreendedores de (PCH’s) produtores independentes, cujo negócio principal não está voltado à geração de energia, por conseguinte, não dispõe de quadro de pessoal especializado capaz de criar um projeto nesta área. Com isso, há a necessidade de um trabalho que envolva a implantação de PCH’s nessas comunidades, enfocando a potencialidade do local, viabilidade técnica do projeto de engenharia, estudos ambientais e viabilidade econômica. O presente trabalho propõe o dimensionamento de uma PCH, a ser instalada na fazenda Nova Esperança, apresentando um método simples e prático de dimensionamento dos seus componentes, como (tomada d’água, canal de adução, câmara de carga, tubulação forçada, casa de máquinas, turbina e gerador), licenciamento ambiental e análise econômica. Os resultados obtidos mostram que a implantação da PCH na fazenda Nova Esperança é viável tecnicamente e economicamente. O excedente gerado será comercializado no mercado livre de energia ou na CELPA.

Palavras Chaves:

Introdução

Mais de 12 milhões de brasileiros não têm acesso à energia elétrica, o que equivale à soma da população dos estados do Piauí, Mato Grosso do Sul, Amazonas e Distrito Federal. Desses, mais de 10 milhões vive no meio rural segundo TIAGO,

No Brasil, a exclusão elétrica predomina em áreas com menor Índice de Desenvolvimento Humano (IDH) e entre famílias de baixa renda. Percentualmente, o maior número de pessoas que não tem acesso à energia elétrica no meio rural reside na região Norte, face às dimensões da região, dificuldade de utilização de rede de transmissão e pelo alto índice de pulverização das comunidades.

Os empreendedores de pequenas centrais hidrelétricas (PCH’s), são geralmente Produtores independentes, ou Autoprodutores de energia elétrica, cujo negocio principal não está voltado à geração de energia elétrica, por conseguinte, não dispõe de quadro de pessoal especializados, capaz de conduzir o processo de elaboração e realização de um projeto.

As legislações de diversos órgãos Federais, Estaduais e Municipais, especialmente relacionados ao meio ambiente, devem ser pesquisadas sistematicamente, buscando dentre elas quais estão abordando a construção e operação de PCH’s.

Com isso, há a necessidade de trabalhos que tratem por completo a implantação de PCH’s, enfocando a potencialidade do local, viabilidade técnica, projeto de engenharia, estudos ambientais e viabilidade econômica, escopo deste trabalho.

OBJETIVOS

Os objetivos são divididos em gerais e específicos:

• Identificar critérios para avaliação do potencial local de geração de energia;
• Dimensionar projeto de engenharia, utilizando materiais e equipamentos comerciais;
• Elaborar o projeto arquitetônico da PCH;
• Apresentar tipos de turbinas hidráulicas para geração de energia e fazer a seleção para este caso;
• Avaliar técnica e economicamente o projeto de implantação da PCH.
REVISAO DE LITERATURA
O processo de geração de energia elétrica é bastante amplo e complexo, envolvendo vários campos de engenharia. Através de estudos geológicos é possível detectar na natureza locais que forneçam condições para a implantação de uma usina hidrelétrica (ABGE, 1998).

Uma usina hidrelétrica, dependendo do local de sua instalação, poderá aproveitar a energia sob as formas de vazão e queda. As usinas de vazão são instaladas em pontos de grandes fluxo e velocidade, possuindo pequena variação no reservatório e sem grandes extensões inundadas, visto não haver necessidade de acúmulo. As usinas de reservatório aproveitam quedas e necessitam de grandes reservatórios, havendo a inundação de grandes porções de terra. Estas instalações regularizam a vazão dos rios sendo responsáveis por parte da energia que será utilizada futuramente em caso de necessidade, pois suas reservas são suficientes para vários meses (ELETROBRÁS, 1997).

Nas pequenas centrais, até mesmo pelo porte dos equipamentos, não se faz necessário tamanho aparato sendo suficientes sistemas bastante simplificados. Sistemas de medição, de troca térmica e de proteção e regulação muitas vezes tratam-se de sistemas montados até de forma primitiva e arcaica embora funcionais.

Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH’s), que no passado foram responsáveis por grande parte do suprimento de energia, foram desativadas ao longo das últimas décadas dando lugar a grandes instalações elétricas devido à economia de escala que tais empreendimentos oferecem (FORTUNATO; et all, 1990). Porém, o panorama do sistema elétrico brasileiro, face à crise energética, indica uma tendência de reativação, construção e modernização de PCH’s, a fim de aumentar o suprimento de energia de forma rápida e com baixos custos financeiros e ambientais.

3.1 Tipos de Pequenas Centrais Hidrelétricas

A Resolução da ANEEL 394, de 04/12/98, estabelece que os aproveitamentos com características de PCH são aqueles que têm potência entre 1 e 30 MW e área inundada até 3,0 km², para a cheia centenária.

3.1.1 Centrais Quanto à Capacidade de Regularização

Os tipos de PCH, quanto à capacidade de regularização do reservatório, são:

-a Fio d’Água;

-de Acumulação, com Regularização Diária do Reservatório;

-de Acumulação, com Regularização Mensal do Reservatório.

3.1.1.1 PCH a Fio D’água

Esse tipo de PCH é empregado quando as vazões de estiagem do rio são iguais ou maiores que a descarga necessária à potência a ser instalada para atender à demanda máxima prevista.

Nesse caso, despreza-se o volume do reservatório criado pela barragem. O sistema de adução deverá ser projetado para conduzir a descarga necessária para fornecer a potência que atenda à demanda máxima. O aproveitamento energético local será parcial e o vertedouro funcionará na quase totalidade do tempo, extravasando o excesso de água.

Esse tipo de PCH apresenta, dentre outras, as seguintes simplificações:

- dispensa estudos de regularização de vazões;

- dispensa estudos de sazonalidade da carga elétrica do consumidor; e

- facilita os estudos e a concepção da tomada d’água.

No projeto:

- não havendo despejos significativos do Nível D’Água do reservatório, não é necessário que a tomada d’água seja projetada para atender o despejo do Nível D’Água;

- do mesmo modo, quando a adução primária é projetada através de canal aberto, a profundidade do mesmo deverá ser a menor possível, pois não haverá a necessidade de atender os despejos do Nível D’Água;

- pelo mesmo motivo, no caso de haver necessidade de instalação de chaminé de equilíbrio, a sua altura será mínima, pois o valor do despejo do reservatório, o qual entra no cálculo dessa altura, é desprezível;

• Apresentar critérios para licenciamento ambiental;
• Verificar preço de mercado para venda de energia;

2.1 Objetivo Geral

Elaborar um projeto de uma Pequena Central Hidrelétrica (PCH), a ser instalada em uma propriedade rural.

2.2 Objetivos específicos

Pequena Central Hidrelétrica. Licenciamento Ambiental. Viabilidade Econômica.

- as barragens serão, normalmente, baixas, pois têm a função apenas de desviar a água para o circuito de adução;

- como as áreas inundadas são pequenas, os valores gastos com indenizações serão reduzidos.

3.1.1.2 PCH de Acumulação, com Regularização Diária do Reservatório

Esse tipo de PCH é empregado quando as vazões de estiagem do rio são inferiores à necessária para fornecer a potência para suprir a demanda máxima do mercado consumidor e ocorrem com risco superior ao adotado no projeto.

Nesse caso, o reservatório fornecerá o adicional necessário de vazão regularizada.

3.1.1.3 PCH de Acumulação, com Regularização Mensal do Reservatório

Quando o projeto de uma PCH considera dados de vazões médias mensais no seu dimensionamento energético, analisando as vazões de estiagem médias mensais, pressupõe-se uma regularização mensal das vazões médias diárias, promovida pelo reservatório.

3.1.1.4 Centrais Quanto ao Sistema de Adução
Quanto ao sistema de adução, são considerados dois tipos de PCH:

- adução em baixa pressão com escoamento livre em canal / alta pressão em conduto forçado;

- adução em baixa pressão por meio de tubulação / alta pressão em conduto forçado.

3.1.2 Centrais Quanto à Potência Instalada e Quanto à Queda de Projeto

As PCH podem ser ainda classificadas quanto à potência instalada e quanto à queda de projeto, como mostrado na Tabela 1, adiante, considerando-se os dois parâmetros conjuntamente, uma vez que um ou outro isoladamente não permite uma classificação adequada.

Para as centrais com alta e média queda, onde existe um desnível natural elevado, a casa de força fica situada, normalmente, afastada da estrutura do barramento. Conseqüentemente, a concepção do circuito hidráulico de adução envolve, rotineiramente, canal ou conduto de baixa pressão com extensão longa.

Para as centrais de baixa queda, todavia, a casa de força fica, normalmente, junto da barragem, sendo a adução feita através de uma tomada d’água incorporada ao barramento.

Tabela 1 - Classificação das PCH quanto à Potência e quanto à Queda de Projeto

CLASSIFICAÇÃO
POTÊNCIA - P
QUEDA DE PROJETO - Hd (m)

DAS CENTRAIS
(kW)
BAIXA
MÉDIA
ALTA

MICRO
P < 100
Hd < 15
15 < Hd < 50
Hd > 50

MINI
100 < P < 1.000
Hd < 20
20 < Hd < 100
Hd > 100

PEQUENAS
1.000 < P < 30.000
Hd < 25
25 < Hd < 130
Hd > 130

3.2 Tipos de turbinas utilizadas em micro, mini e pequenas centrais hidráulicas

Os tipos de turbinas usadas mundialmente e fabricadas para pequenas centrais hidrelétricas ou mesmo para aplicação de caráter mecânico na transmissão de força em pequenas propriedades são:

1- A turbina Turgo ;

2- A Turbina Pelton;

3- A turbina de fluxo cruzado;

4- A turbina Francis ;

5- A turbina Axial;

6- A turbina sifão;

7- A turbina S;

8- A turbina Bulbo;

9- A bomba centrífuga funcionando como turbina;

10- A turbina de águas correntes.

A apresentação resumida do tipo de turbina a ser utilizada para o estudo de caso mostra uma idéia bastante ampla de como pode ser feito um aproveitamento hidráulico, principalmente no âmbito dos pequenos aproveitamentos hidráulicos para utilização motriz ou para a geração de energia elétrica, ajudando na decisão para se obter o melhor equilíbrio, econômico, social e ambiental.

Nem sempre a melhor técnica em termos de projeto e rendimento ou um menor custo será a melhor escolha para atender as necessidades locais em termos de distribuição de recursos de um empreendimento isolado como as agroindústrias e as cooperativas.

MATÉRIAIS E MÉTODOS

4.1 Caracterização da área de pesquisa

O projeto será implantado na Fazenda Nova Esperança, localizada no município de Xinguara – PA, ao longo da na rodovia PA – 050, km 72 saída para o Pontão.

Cujas, coordenadas geográficas são: latitude 06° 41’ 03" e longitude 49° 15’ 04" WO, e altitude 345m.

Para a implantação de uma PCH é extremamente importante observar o aspecto do melhor aproveitamento possível do potencial energético do curso d’água, em sintonia com fluxograma de implantação de uma PCH.

4.2 Verificação do Potencial Conhecido

Para o analise do potencial do local foi considerada a Energia firme e a Potência a ser instalada, através da vazão e da queda liquida do projeto (equações (2) e (3)).

4.3 Avaliação da Viabilidade técnica da PCH

Para que a micro-central hidrelétrica a ser instalada seja viável tecnicamente a demanda de energia elétrica deve ser menor ou igual à energia total líquida disponível no curso d´água. O levantamento de demanda elétrica da propriedade foi feito através da somatória da potência necessária em cada equipamento instalado na propriedade rural, verificando se a demanda total da fazenda.

O levantamento das cargas foi feito como segue:

4.3.1 Levantamento e distribuição das Cargas Instaladas na propriedade

Para se levantar as cargas a serem suportadas pelo sistema, relacionaram-se cada uma delas em uma tabela, o horário e o período de tempo de uso de cada equipamento em Watts.

A demanda total da sede da propriedade, em cada horário foi obtida somando as demandas existentes em cada ponto de consumo no respectivo horários.

As cargas foram subdivididas por local de utilização e por natureza. Iluminação, aquecimento (chuveiros elétricos e demais equipamentos) e motores. Para se calcular a carga total necessária é preciso conhecer com segurança o horário de funcionamento deles e, então, efetuar o cálculo de demanda por meio de um estudo de simultaneidade de cargas, sendo que no caso de cargas reativas e indutivas (motores elétricos) foi utilizada a equação (15).

4.4 Levantamentos de dados

Em visita à propriedade foi levantados os dados de carga instalada, vazão e altura da queda d´água considerando os parâmetros das equações envolvidas descritas acima.

4.4.1 Medição de vazão

A medição da vazão foi feita pelo método do tambor utilizando-se a formula direta. Utilizou-se um tambor com volume de 200 litros. Mediu-se o tempo de enchimento do tambor, obtendo-se a vazão pela equação (16)

4.4.2 Medição da Altura da Cachoeira

Para medir a altura da queda d’água utilizou-se método da régua, conforme descrito na no capítulo anterior.

4.5 Procedimentos para Licenciamento Ambiental

Para a implantação da PCH é necessário o licenciamento ambiental junto ao órgão competente. Como o rio Capivara é de domínio estadual, compete à Secretaria Executiva de Ciências, Tecnologia e Meio Ambiente (SECTAM) do Estado do Pará o licenciamento ambiental deste empreendimento, com isso através de contato com o mesmo foi definido a relação de documentos necessários para o licenciamento ambiental. Aprovada cada etapa, a PCH poderá ser instalada e entrar em operação

4.6 Projeto e dimensionamento do sistema

Uma PCH é composta de três partes básicas: sistema de captação e adução de água, casa de máquinas e a linha de transmissão da energia até os pontos de consumo, mas para isso é necessário o dimensionamento de todos os seus componentes.

4.6.1 Dimensionamento das Obras Civis

Cada parte do sistema foi dimensionado para garantir o perfeito funcionamento da PCH e garantir o menor impacto ambiental possível. A tomada d´água, o canal de adução, câmara de carga, tubulação, casa de máquinas e descarga.

4.6.1.1 Tomada d’água
A tomada d’água é responsável pela transição da água do rio até o canal de adução, sendo composto pelo desarenador, grades e comportas de manutenção.

• Para o dimensionamento do desarenador levou-se em conta a vazão do projeto e a largura do canal, sendo que a largura do desarenador é igual a duas vezes a largura do canal, obtendo seu comprimento pela equação (4).

• As dimensões da grade, largura, altura e espaçamento entre as barras, são determinadas pelas dimensões do canal. A largura e altura da grade são as mesmas do canal e o espaçamento entre as barras é em torno de 2 cm, a fim de reter folhas, galhos, troncos e animais mortos trazidos pela água da chuva.

• As comportas de manutenção foram dimensionadas em função da largura e da altura do canal de adução, onde, na câmara de carga, haverá uma comportada que será dimensionada através de sua altura e largura.

4.6.1.2 Canal de adução

Para o dimensionamento do canal de adução foi preciso determinar a velocidade da água dentro do canal que depende do tipo de revestimento utilizado nele. Considerando que a largura do fundo do canal deve ser de no mínimo de 0,80 metros, obtém-se a profundidade do canal através da equação (5).

4.6.1.3 Câmara de carga

As dimensões da câmara de carga, bem como seus componentes é igual as da tomada d’água, sendo que a borda superior da câmara de carga deve ficar aproximadamente 0,30 m acima do nível d’água do reservatório.

• Para segurança em eventuais excessos de vazão no canal, fez-se necessário o dimensionamento do extravasor, que foi feito em função da vazão normal da turbina, através da equação (6)

4.6.1.4 Tubulação Forçada

É a tubulação que conduz a água da câmara de carga até a casa de máquinas.

• O dimensionamento da tubulação forçada é a determinação do seu diâmetro interno, que foi realizado através da equação (7).

• Para PCH a velocidade máxima admitida em tubulação de aço e ferro fundido é de 5 m/s e para concreto de 3 m/s, obteve-se a velocidade interna da água dentro da tubulação através da vazão e do diâmetro interno da tubulação utilizando-se a equação (8).

• O dimensionamento da espessura da parede da tubulação foi realizada através dos parâmetros como diâmetro interno da tubulação, altura da queda d’água bruta obtendo-se através da equação (9), sendo que o valor encontrado não pode ser inferior ao valor da espessura mínima da parede da tubulação obteve-se através da equação (10).

• Fixação da tubulação será em blocos de apoio que é dimensionado através das equações (11, 12, 13 e 14). Onde a fixação da tubulação nos blocos será feita com alças fixadoras em forma de meia lua com trava.

4.6.2 Dimensionamento dos equipamentos

Para a seleção dos equipamentos a serem instalados na propriedade serão feitos os dimensionamentos de todos os seus componentes.

4.6.2.1 Conjunto Turbina Hidráulica e Gerador Elétrico

A escolha da Turbina foi feita utilizando modelos comerciais através de parâmetros como queda bruta da água, comprimento do tubo de adução, diâmetro do tubo, e a vazão disponível.

A escolha do gerador dependeu da demanda da propriedade e da potência máxima disponível no eixo da Turbina.

4.7 Viabilidade Econômica

Análise Econômica do projeto foi baseada em estimativas para o fluxo de caixa futuro, obtido a partir de previsões para diversas variáveis.

Entretanto, estas variáveis não podem ser previstas com 100% de precisão, porque depende de vários fatores dentre eles destaca-se a política governamental para a área de energia. SOTO; et all, mostra que este fato está associado ao risco do retorno do investimento do projeto.

O risco e as incertezas da implantação do projeto podem ser minimizados através de analise econômica financeira, usa sde alguns indicadores. Neste casso optou-se pelos seguintes: Valor Presente Liquido (VPL) e sua Taxa Interna de Retorno (TIR) associada, Payback Original (PBO)., Índice de Lucratividade (IL) e Taxa de Retorno (TR) associada.

CONCLUSÃO

Em relação aos resultados obtidos conclui-se que:

O Projeto é viável tecnicamente, ou seja, o potencial de geração de energia local é de 2.798,64 kWh dia, com uma demanda diária de potência da propriedade de 131,15 kWh, significa dizer que para 1 kWh dia consumido obtém-se 21,34 kWh dia de excedente.

Para o licenciamento ambiental, o projeto é caracterizado com empreendimento infra-estrutural no caso de aproveitamento hidrelétrico, sendo solicitado o licenciamento junto a Secretaria Executiva de Ciências, Tecnologia e Meio Ambiente (SECTAM) do Estado do Pará.

O modelo do conjunto turbina gerador adotado é adequado pois atende a demanda e gera um excedente para a comercialização, atendendo a viabilidade econômica do investimento.

O projeto é viável economicamente, pois a TIR (33,22%), é maior que a TMA (20%), para cada R$ 1,00 investido obter-se-á R$ 1,65; Alem de receber os 20% desejado sobre o capital investido a cada ano, o investimento recebera ao longo de 30 anos uma equivalente de R$ 94.545,23.