1O USO DO POTENCIAL HIDRÁULICO PREDIAL PARA · PDF fileeconômica da implantação de gerador que aproveite o fluxo de água através das tubulações de uma instalação predial

Universidade Federal do Rio Grande do Sul -UFRGS EEN99004 – Projeto em Energia III

Escola de Engenharia Engenharia de Energia 2014/2

1O USO DO POTENCIAL HIDRÁULICO PREDIAL PARA MICRO

GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

Antonio Alice Bonow, [email protected]

Gedson Bohrer Ibañez, [email protected]

Túlio Pinto Neto, [email protected]

Resumo. Este artigo constitui uma pesquisa bibliográfica a respeito do uso de tecnologia para aproveitar o potencial

de fontes de energia elétrica no meio urbano. Neste sentido, propõe-se neste artigo analisar a viabilidade física e

econômica da implantação de gerador que aproveite o fluxo de água através das tubulações de uma instalação predial

residencial. Desse modo, propõe-se que se aproveite um potencial de energia que, caso contrário, seria desperdiçado.

Considerando a demanda de energia e a necessidade de desenvolvimento de meios alternativos de conversão, é de

suma importância a proposta de projetos de conversão de energia elétrica no meio urbano.

Palavras-chave: Micro geração elétrica no meio urbano, potencial hidráulico predial, viabilidade de micro geração

hidráulica

1. INTRODUÇÃO

O potencial hidráulico tem sido aproveitado há milênios, remontando suas primeiras utilizações aos tempos em que

povos gregos usavam a água para mover moinhos de triturar trigo, auxiliar em processos em que se serrava madeira e

suprir moinhos para confecção de produtos têxteis. Contudo, conforme afirmado pelo Departamento de Energia dos

Estados Unidos da América, foi somente em meados de 1700 que estudos foram efetuados para tornar mais sistemática

e precisa a metodologia por trás da conversão de energia proveniente de fontes hidráulicas.

O trabalho do engenheiro hidráulico e militar francês Bernard Forest de Bélidor foi de vital importância para o

desenvolvimento da área de ciência hidráulica, tendo como precursor seu trabalho em quatro volumes, L’architecture

hydraulique, ou l’art de conduire, d’élever et de ménager lex eaux pour les différents besions de la vie1 (1737-1753),

nos quais começou a dissertar sobre a utilização de eixos verticais contra eixos horizontais, caracterizando os primeiros estudos relacionados a turbinas a serem implementadas em usinas hidroelétricas.

A partir de 1800, os estudos realizados um século antes passaram à conduzir à instalação de pequenas centrais

hidroelétricas. De acordo com o Departamento de Energia dos EUA, em 1880 e em 1881 foram utilizadas turbinas

hidráulicas para abastecer pequenos estabelecimentos em Grand Rapids, Michigan e Niagara Falls, New York,

respectivamente. Ambas as transmissões se deram por meio de corrente contínua. A primeira turbina a operar por meio

de corrente alternada foi instalada em 1882 em Appleton, Wisconsin, caracterizando-a assim a primeira usina

hidroelétrica do mundo.

Figura 1. Esquema de funcionamento de uma usina hidroelétrica [U.S. Department of Energy]

Conforme o Departamento de Energia dos EUA, as usinas hidroelétricas operam segundo uma barragem que divide

dois corpos de água, um deles sendo um reservatório e o outro, o canal de fuga. É estabelecida uma altura máxima para

o reservatório de água; para impedir que esse limite seja ultrapassado, um pequeno vertedouro é instalado rente à lateral

1 A Arquitetura Hidráulica, ou a Arte de Conduzir, para Elevar e Preservar a Água para as Diferentes Necessidades da Vida



da usina, desembocando no canal de fuga. No lado da barragem voltada para o reservatório há uma válvula de

admissão, que não permite a entrada de resíduos sólidos no interior do duto que conduz a água às turbinas. Conforme a

água atinge as hélices das turbinas, a energia proveniente de sua queda é transformada em energia cinética para a

turbina que, acoplada a um gerador, começa a produzir energia elétrica. A partir desse ponto, a eletricidade é enviada a

um gerador, no qual é convertida para uma alta tensão para ser então enviada para a rede de transmissão. Após cruzar as

turbinas, a água passa por um tubo de expulsão, no qual é então enviada para o canal de fuga. Há também outro modelo

segundo o qual é possível operar uma usina hidroelétrica. Segundo o modelo da usina a fio d’água, não há barragem

para acumular água; o que impulsiona, portanto, a turbina é a água na velocidade natural de vazão do curso d’água.

Desde o advento da Revolução Industrial, a energia assumiu um papel importantíssimo para o funcionamento das

atividades industriais e, posteriormente, manutenção do padrão de vida populacional como hoje o conhecemos.

Atualmente, em vista da pressão pelo uso de tecnologias de conversão de energia menos impactantes no meio ambiente e pela expansão de oferta de energia, requer-se que se desenvolvam processos que apresentem potenciais energéticos

previamente desperdiçados. Tal desenvolvimento é devido à tendência de aumento de consumo energético para os mais

diversos fins.

Nesse sentido, o desenvolvimento de processos de conversão energética no meio urbano é de suma importância, pois

descentraliza a produção e expande a oferta de energia. Desse modo, propor novos métodos de aproveitamento de

energia constitui uma etapa importante da evolução dos processos de conversão eletromecânica. Ciente disso, este

artigo se propõe a analisar a viabilidade do aproveitamento energético da água de uma tubulação predial. Para tal, ir-se-

á considerar a água acumulada devido à chuva em um reservatório previamente instalada que a armazene e conduza-a

até a turbina.

2. APROVEITAMENTO PLUVIOMÉTRICO

Dentre os diversos potenciais que podem ser aproveitados para gerar energia, consideramos primeiramente a água

proveniente da precipitação atmosférica. O presente artigo apresentará o seguinte modelo: considerar-se-á a área total

do telhado para o escoamento para um reservatório, qualquer sacada sem cobertura será desconsiderada. Considerar-se-

á um reservatório em vez de uma estrutura a fio d’água, pois, caso se optasse pelo fio d’água, o fluxo do líquido seria

muito pequeno, de modo que o potencial gerado seria quase nulo. Outra observação interessante é que, ao armazenar

toda energia potencial, poderemos fornecer energia em horários de alta demanda energética, economizando dinheiro.

2.1. Mudanças Estruturais

Levando em conta as considerações feitas, uma mudança estrutural que permita o escoamento da água não será

considerada, porém ainda há de se considerar a importância da construção de um reservatório. Como toda água da

chuva passará pela turbina e será posteriormente despejada no esgoto sanitário, pode-se manter um reservatório no alto

do prédio, para aproveitar melhor o potencial gravitacional ofertado pelo sistema. Convém também salientar que o uso

da água que alimentou o sistema, após o processo, pode ser utilizada para os mais diversos fins, tais como a utilização

para limpeza do prédio, assumindo que um filtro seja instalado na saída do sistema, por exemplo.

Figura 2. Esquematização simplificada do sistema de armazenamento, em vistas ortográficas superior e frontal, a cor

preta indica a delimitação física do prédio; a azul, o sistema de calhas; a vermelha, a tubulação que recolhe água das calhas e a transporta para o reservatório; em amarelo, o reservatório d’água. Figura de autoria própria.



2.2. Turbinas

Tendo em vista a necessidade de escolha da turbina, optou-se pelo modelo de Turbina Michell-Banki. Tal turbina

pode funcionar a uma potência máxima de 800 kW, estando mais do que apta para funcionar em uma micro central

energética, de acordo com Pérez em “Instalação de um Tubo de Succção numa Turbina Michell-Banki para o

Aproveitamento de Pequenas Quedas de Água”. De acordo com definições legais brasileiras, considera-se uma micro

central energética aquela capaz de operar a uma potência instalada de, no máximo, 100 kW. Além disso, funciona a uma

vazão entre 25 e 700 L/s, equivalente a 0,025 e 0,7 m³, respectivamente. Tal vazão é compatível com aquela que se

busca devido ao escoamento predial de água da chuva. Seu intervalo de queda abrange valores de 1 a 200m (novamente

enquadrando-se dentro dos limites legais brasileiros, que determinam que uma micro central opere com quedas d’água

de até 50 m de altura), que, considerando uma queda equivalente à altura de um edifício, é ideal para o projeto proposto. A turbina trabalha com pás, que, ao sofrerem colisão com a água corrente, põem o rotor a girar, acionando então a

turbina. Aconselha-se, segundo Farret em “Aproveitamento de Pequenas Fontes de Energia Elétrica”, a escolha de 26 a

30 pás para compor a parte interna do rotor, cujo diâmetro pode variar entre 0,2 e 0,6 m.

Figura 3. Corte transversal da turbina Michell-Banki com entrada vertical [Farret, 1999].

Como facilidade adicional, a turbina Michell-Banki pode operar a um, dois ou três terços de sua capacidade total,

graças à sua construção multicelular que, de acordo com Farret, funciona com a divisão do rotor em células (segmentos

longitudinais do rotor) na proporção 1:2. Tendo em vista essa estrutura fragmentada, pode-se aproveitar uma menor

vazão sem maiores perdas de eficiência ao se optar pelo uso de parcelas do rotor, geralmente dividido em três células

unitárias. Devido a essa estrutura fragmentada e a seu reduzido espaço físico, as manutenções necessárias para o

contínuo uso da turbina são de fácil realização.



Figura 4. Curvas de rendimento da turbina Michell-Banki em relação ao número de células utilizadas [Farret, 1999].

3. SISTEMA HIDRÁULICO (ENTRADA A PARTIR DE CAIXA D’ÁGUA)

Outra fonte que pode ser aproveitada para geração de energia é proveniente da água contida na caixa d’água. A

lógica a respeito do problema de onde colocar uma turbina é bastante simples. O potencial depende do fluxo e da queda.

Colocando no topo do prédio, a geração é pequena devido à queda ser curta. Ao colocar a turbina na base, o fluxo é

pequeno, pois grande parte da água terá sido utilizada nas necessidades de consumo da população residente da

instalação predial. É possível fornecer água nos andares de um prédio de diversas formas. Para o escopo deste artigo,

serão considerados dois métodos: aquele que demanda a presença de uma caixa d’água, conhecido como abastecimento

indireto, e aquele que não demanda, conhecido como abastecimento direto. Para cada caso, haverá uma solução a ser modelada e resultados a serem descobertos.

3.1 Tipos de Abastecimento

De acordo com Ghisi em “Instalações Prediais de Água Fria”, no abastecimento direto a água é diretamente

direcionada para os andares na qual ela é necessária. Como não há queda nesse percurso, não há uma possibilidade

energética interessante a ser explorada e aproveitada. Na análise do abastecimento indireto, a água passa antes por uma

caixa d’água. Caso essa caixa se encontre no topo do prédio, podemos então utilizar o sistema; caso contrário, as

possibilidades de uso do sistema ficam severamente restritas. Existem fatores que influenciarão diretamente na

quantidade de energia que será obtida nesse processo, dentre os quais: a altura da edificação, o consumo de água dos

andares abaixo da metade da altura do prédio, pois como a turbina será colocada na metade da altura, a utilização nos andares superiores não nos interessa.

Figura 5. À esquerda, representação de abastecimento direto; à direita, representação de abastecimento indireto.

[Ghisi, 2004].

4. ANÁLISE ECONÔMICA

Mantendo-se em mente que esse sistema deva ser instalado em um prédio, é de vital importância uma análise quanto

à sua situação econômica. Para tal fim, uma análise rápida e simples quanto ao retorno de capital garantido pelo sistema

é interessante aos olhos de quem resolva instalá-lo. Para tanto, foi desenvolvida a seguinte equação de autoria própria:

na qual:

representa o retorno de capital até o mês n escolhido para a análise,

indica o rendimento no qual a turbina está operando,

é a potência na qual a turbina opera,

é o volume de água que pode percorrer a turbina,

é a área da tubulação que conduz a água à turbina,

indica o preço energético no mês k,

é a precipitação pluvial registrada no mês k.

De posse desses dados, é fácil estimar o retorno que a instalação do sistema proporciona. Contudo, é necessário um

ponto sólido de análise, de modo que se obtenha uma resposta aceitável quanto ao investimento total do sistema. Para

tal, é aconselhada a comparação de com o gasto para a compra dos materiais do sistema e de sua instalação. É fácil

observar que, enquanto for menor do que tal valor, a tecnologia ainda não rendeu lucros aos seus investidores.

Convém também atentar ao fato de que a análise feita por essa equação iria gerar um gráfico com valores discretos, uma



vez que o custo energético e a precipitação são analisados de forma mensal. Como cada termo de soma-se mês a

mês, o gráfico nunca terá declividade negativa. Sua menor inclinação teórica seria zero quando, ao se analisar um mês

que não apresentou precipitação em relação ao anterior, o retorno de capital até aquele mês seria igual ao retorno até o

mês anterior. Com base na variável , que indica a precipitação pluvial, é possível também fazer uma análise de

viabilidade da instalação do sistema nos mais diversos locais, uma vez que, quanto maior o registro de chuva, mais

rapidamente se alcança o ponto em que a tecnologia retornou monetariamente o seu investimento.

5. ANÁLISE DE SUSTENTABILIDADE

A produção de eletricidade ocorre, em sua maior parte, em grandes usinas geradoras, sejam elas centrais térmicas ou

elétricas. Em vista disso, nota-se que a produção de energia encontra-se centralizada. Em caso de falha e

comprometimento de uma dessas centrais geradoras, requerer-se-á uma compensação das demais para impedir o

comprometimento do sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica. Isso expõe a fragilidade do sistema

elétrico. No Brasil, devido à constante seca que atinge a região Sudeste, as centrais termoelétricas estão ativadas para

suprir a necessidade de energia elétrica, que tende a aumentar nos meses de maior temperatura média. Devido ao

acionamento dessas usinas, as quais não compõem a maior parcela da matriz energética nacional, emitem-se maiores

quantidades de gases tóxicos e agravantes do Efeito Estufa, de modo a impactar negativamente o meio ambiente e a

população.

Uma possível solução a esse problema é a descentralização da produção de energia elétrica. Com essa medida, dar-

se-á importância à conversão elétrica em menor escala e será rearranjado o sistema de transmissão elétrica. Nesse sentido, o aproveitamento de pequenos potenciais energéticos no meio urbano é de suma importância, pois atenuará a

demanda das grandes centrais energéticas, além de determinar o aproveitamento de recursos que, caso contrário, seriam

desperdiçados. O aproveitamento energético do fluxo d’água de uma instalação predial constitui uma medida de acordo

com a ideia de uso de potenciais energéticos no meio urbano. Atualmente, a água coletada das chuvas em instalações

prediais é, em sua maioria, escoada sem ser aproveitada. No entanto, caso ela fosse conduzida durante uma queda

vertical até uma câmara com uma microturbina, a água da chuva poderia ser aproveitada para conversão de eletricidade,

de modo a suprir uma parcela das necessidades energéticas prediais e reduzir os custos relativos à cobranças por

energia. Também poder-se-ia aproveitar o fluxo d’água de uma instalação predical abastecida por meio do

Abastecimento Indireto. Desse modo, utilizar-se-ia a própria água de abastecimento de uma instalação para alimentar

uma microturbina, localizada na metade da altura do edifício, para evitar grandes perdas de eficiência devido ao uso

doméstico da água nos mais diversos andares de um prédio, para produzir uma parcela da eletricidade consumida pelo

edifício.

6. CONCLUSÃO

Observando o atual crescimento no qual a sociedade se encontra e como já mencionado anteriormente, a

necessidade pela busca por novos meios de gerar energia elétrica para aliviar perdas ambientais e descentralizar o

mercado energético está permanentemente ligada ao desenvolvimento humano. O presente artigo não tem por fim

solucionar problemas que, conforme observados na sociedade, são praticamente infindáveis. O sistema aqui apresentado

pode ser dito como pequeno, mas somado a outros pequenos sistemas formam uma enorme cadeia, cujo único propósito

é elevar o nível de qualidade de vida da região que os adotem. Como observado por René Descartes em seu livro

Discurso do Método, publicado em 1637, um problema complexo pode e deve ser dividido e resolvido em tantas partes

menores quanto possíveis, de modo que a soma das soluções de cada uma dessas pequenas partes ainda seja igual ao resultado do problema inicialmente proposto. Visão tal que acabou por direcionar o mundo científico para como hoje o

conhecemos, sedimentando o Método Científico e lógico em uma sociedade que, uma vez mais, deve pôr em prática tal

ensinamento em prol do melhor uso dos recursos energéticos que se encontram ao redor dela.

7. REFERÊNCIAS

Iorra, P.R.Q., “Análise do Potencial de Microgeração Hidrelétrica Predial”, 2013, 57f. Trabalho de Conclusão

(Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, RS

Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, “How Hydropower Works”, <http://energy.gov>

Ghisi, E., “Instalações Prediais de Água Fria”, 2004, 26f. – Universidade Federal de Santa Catarina, SC

Farret, F.A., “Aproveitamento de Pequenas Fontes de Energia Elétrica”, Ed. Da UFSM, Santa Maria, Brasil, 245p.

Instituto Nacional de Meteorologia, INMET, <http://www.inmet.gov.br/portal> Agência Nacional de Energia Elétrica, “Atlas de Energia Elétrica do Brasil”

Quintela, A.C., 2002, “Hidráulica”, Fundação Calouste Gulbenkian, 8ª Edição, Lisboa, Portal, 539p.

Pérez, E.P., Carrocci, L.R., Filho, P.M., “Instalação de um Tubo de Succção numa Turbina Michell-Banki para o

Aproveitamento de Pequenas Quedas de Água”, 2006, 14f. – Faculdade de Engenharia, Campus de Guaratinguetá –

FEG, SP



Uno, V.H.A.B., “Estudo para Implantação de Turbina de Fluxo Cruzado Tipo Michell-Banki na Micro Central

Hidrelétrica de Roncador”, 2012, 86f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Industrial

Elétrica – Eletrotécnica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, PR

8. NOTA DE RESPONSABILIDADE

Os autores são os únicos responsáveis pelo material impresso incluído neste trabalho.

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