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Universidade Federal de Itajubá
Análise da geração distribuída para suprimento
energético de uma casa de recuperação rural em Itajubá
(MG): Uma comparação entre uma microcentral e um
ANDRÉ LUIZ DE SOUZA
Universidade Federal de ItajubáInstituto de Recursos Naturais
ENGENHARIA HÍDRICA
Análise da geração distribuída para suprimento
energético de uma casa de recuperação rural em Itajubá
(MG): Uma comparação entre uma microcentral e um
sistema fotovoltaico
ANDRÉ LUIZ DE SOUZA
Itajubá – MG Novembro/2015
i
Universidade Federal de Itajubá
ENGENHARIA HÍDRICA
Análise da geração distribuída para suprimento
energético de uma casa de recuperação rural em Itajubá
(MG): Uma comparação entre uma microcentral e um
ii
Análise da geração distribuída para suprimento energético de
uma casa de recuperação rural em Itajubá (MG): Uma
comparação entre uma microcentral e um sistema fotovoltaico
ANDRÉ LUIZ DE SOUZA
Trabalho Final de Graduação apresentado à
Universidade Federal de Itajubá, como parte dos
requisitos para a obtenção do título de Engenheiro
Hídrico.
Orientador : Prof. Msc Ivan Felipe Santos
Co-orientador: Prof. Dr. Geraldo Lúcio Tiago Filho
Itajubá-MG
Novembro / 2015.
iii
Folha de Aprovação
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus,a minha família que sempre me acompanharam e me deram
forças para sempre continuar, vocês são tudo para mim!
Agradeço aos meus amigos, em especial ao meu orientador Prof. Msc Ivan Felipe Santos pela
paciência e apoio durante todo o período acadêmico.
Agradeço ao técnico Alexandre Germano com o suporte em campo e ao meu Co-orientador
oProf. Dr. Geraldo Lúcio Tiago Filho pelas diretrizes passadas no decorrer do presente
trabalho e ao Sr Alcir pela atenção e por ceder o local para a realização do estudo.
v
“Simplesmente não posso ir sem saber para onde.”
Bilbo Bolseiro
vi
RESUMO
Para se implantar um empreendimento de geração elétrica é preciso testar sua viabilidade
técnica e econômica antes de sua construção, buscando assim a melhor e mais viável solução.
Para isso, precisam ser analisados os custos de diversos componentes e a produção energética
do sistema. O presente trabalho apresenta o dimensionamento, analise e compararação por
meio de ferramentas matemática-financeiras a viabilidade técnica e econômica de dois
possíveis empreendimentos de geração distribuída de energia sustentável para a casa de
recuperação Nova Jerusalém, a saber, uma microcentral hidrelétrica e um sistema
fotovoltaico. Os resultados obtidos de energia produzida por ambos os cenários foramde
9460,8 kwh/ano para a microcentrale 5419 kwh/ano para o sistema fotovoltaico , sendo que
este ultimo apresentou um investimento mais elevado.A viabilidade econômica do
empreendimento só foi assegurada somente para o caso da microcentral hidrelétrica, sendo o
valor presente líquido ampliado em 150% em um cenárioalternativo no qual foi proposta uma
alteração a norma 482 da ANEEL, em quese considerou que todo saldo energético seria
vendido a distribuidora e não armazenado.
Palavras Chave: Geração distribuída, Microcentral hidrelétrica, Sistema fotovoltaico,
Viabilidade econômica.
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Variação do PIB e do consumo de energia no mundo entre 1998 e 2007.Fonte: Ipea
(2008, apud ANEEL 2008). ........................................................................................................ 4
Figura 2. Participação de diversas fontes de energia no consumo no mundo entre ................... 4
1973 e 2006. Fonte (IEA, 2007) ................................................................................................. 4
Figura 3: Capacidade de geração elétrica instalada. Fonte: BEN 2014. .................................... 9
Figura 4: Matriz elétrica por tipo de fonte primária no Brasil. (Fonte: BEN, 2014). ................. 9
Figura 5: Perspectiva da energia solar até 2050. Fonte: Revista Época, 2012. ........................ 10
Figura 6: – Localização Regional dos Domicílios Rurais sem Atendimento de Energia Elétrica
(%). Fonte: MME, 2004. .......................................................................................................... 11
Figura 7: – Taxa de eletrificação residencial e proporção de domicílios eletrificados por
estados. Fonte: ANEEL, Atlas de Energia Elétrica no Brasil, 2002. ....................................... 12
Figura 8: – Sistema Interligado Nacional – horizonte. Fonte: ELETROBRAS (2009). .......... 13
Figura 9: – Mapa do Sistema Isolado. Fonte: ELETROBRAS,2009. ...................................... 14
Figura 10: – Domicílios não atendidos por energia elétrica nos estados da região Norte. Fonte:
ABRADEE (apud NUNES, 2009 ). ......................................................................................... 15
Figura 11: Tomada d’água vista de montante.Fonte: Nogueira e Filho (2007). ...................... 21
Figura 12: Trecho de um canal de adução escavado em rocha, parte de um conduto forçado de
baixa pressão. Fonte: Nogueira e Filho (2007)......................................................................... 22
Figura 13: Turbina Pelton: (a) vista de uma turbina Pelton; (b) detalhe da incidência de água
sobre uma turbina Pelton. Fonte:TIAGO FILHO et al. (2008). ............................................... 23
Figura 14: Rotor Francis: a)Lento b)Normal;c) Rápido. Fonte: TIAGO FILHO et al. (2008).
.................................................................................................................................................. 24
Figura 15: Diagrama para seleção de turbinas em função do nqA e da queda da usina. Fonte:
Souza et al. (2009). ................................................................................................................... 24
Figura 16: Vista do rotor e estator de um gerador. Fonte: TIAGO FILHO et al. (2008). ........ 25
Figura 17: Localização do estado do Pará e da região. (TIAGO FILHO et al.,2008) .............. 26
Figura 18: Arranjo da microcentral de Jatoarana. (TIAGO FILHO et al., 2008). .................... 27
Figura 19: Localização do estado do Pará e da região dentro do estado. (TIAGO FILHO et
al.,2008) .................................................................................................................................... 27
Figura 20: Arranjo da µCHAruã.(TIAGO FILHO et al., 2008) ............................................... 28
viii
Figura 21: Vantagens trazidas pela implementação do projeto no cotidiano.(TIAGO FILHO et
al.,2008). ................................................................................................................................... 29
Figura 22: Interações da radiação solar com a superfície terrestre. Fonte: Martins (2004). .... 30
Figura 23: Radiação solar global diária - média anual típica (MJ/m2.dia).Fonte: ANEEL
(2005). ...................................................................................................................................... 31
Figura 24: Média anual de insolação diária no Brasil (horas). Fonte: ANEEL (2005). ........... 32
Figura 25– Poste com iluminação fotovoltaica em detalhe mostrando o painel, bateria de
armazenagem de energia e lâmpadas. Fonte: Rosa (2007). ...................................................... 33
Figura 26– Esquema de um controlador de carga. Fonte: Rosa (2007). .................................. 35
Figura 27– Exemplo de um inversor. Fonte: Rosa (2007) ....................................................... 35
Figura 28– Sistema de Compensação de Energia Elétrica. Fonte: ANEEL (2014) ................. 36
Figura 29– Local de implantação do trabalho. Fonte: Google Earth (2015) ............................ 38
Figura 30– Geometria para barragens de concreto até 2m. Fonte: Eletrobrás (1999). ............. 43
Figura 31– Diagrama geral de forças atuantes e resistentes. (Lemos, s/d) ............................... 44
Figura 32: Local escolhido para alocação do eixo da barragem............................................... 49
Figura 33: Valores de cota de terreno. ...................................................................................... 50
Figura 34: Relação entre perda de carga x custo de tubulação. ................................................ 51
Figura 35: Haste de metal fixando o conduto ao terreno. ......................................................... 53
Figura 36: Localização e dimensões do canal de fuga. ............................................................ 54
Figura 37: Turbina Pelton da casa de recuperação estudada. ................................................... 55
Figura 38: Esquema da barragem de concreto.......................................................................... 56
Figura 39: Média mínima mensal de irradiação. Fonte: CRESESB (2012). ............................ 57
Figura 40: Valores de energia consumida na casa de Recuperação Nova Jerusalém em 2015.
Fonte: Cedido pelo Proprietário ............................................................................................... 57
Figura 41: Fluxo de caixa considerando a Resolução Normativa ANEEL nº 482/2012. ......... 58
Figura 42: Fluxo de caixa para o segundo cenário onde o saldo energético é vendido. ........... 59
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Energia primária no Brasil e no mundo em 2003, total e parcelas conforme dados da
Agência Internacional de Energia (IEA, 2003). ......................................................................... 7
Tabela 2- Distribuição da Geração de energia elétrica por fontes em 2008. Fonte: BEN (2014)
.................................................................................................................................................... 8
Tabela 3:Fontes alternativas de energia. Fonte: ABRADEE (apud NUNES, 2009). ............... 15
ix
Tabela 4: Classificação da geração hídrica. Fonte: CERPCH (2011). ..................................... 18
Tabela 5: Tipos de barragem de terra. Fonte: Adaptado de Júnior, Filho, et al., (2008). ......... 20
Tabela 6: Exemplo de consumo e geração elétrica no primeiro trimestre. Fonte: ANEEL
(2014) ....................................................................................................................................... 37
Tabela 7: Valores das cotas do terreno seguindo o croqui ....................................................... 50
Tabela 8: Resultados de vazão medidas. .................................................................................. 51
Tabela 9: Valores das variáveis necessárias para o calculo da altura liquida (Hl). .................. 52
Tabela 10: Custos dos equipamentos para a microcentral. ....................................................... 58
Tabela 11: Valores finais obtidos. ............................................................................................ 60
x
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 1
2. OBJETIVO ......................................................................................................................... 2
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................... 3
3.1. Importância da Energia Elétrica .................................................................................. 3
3.2. Matriz energética do Brasil .......................................................................................... 6
3.2.1. A energia no Brasil ................................................................................................... 6
3.2.2 Geração isolada no Brasil ........................................................................................ 11
3.3. As Microcentrais hidrelétricas ................................................................................... 17
3.3.1. Justificativa ............................................................................................................. 17
3.3.2 Vantagens ................................................................................................................ 17
3.3.3 Classificação ............................................................................................................ 18
3.3.4 Componentes de uma Microcentral Hidrelétrica ..................................................... 18
3.3.4.1 Barragem .......................................................................................................... 18
3.3.4.2. Tomada d’água: ............................................................................................... 21
3.3.4.3. Sistema de adução: .......................................................................................... 21
3.3.4.4: Componentes hidromecânicos ......................................................................... 22
3.3.4.4.1 Turbinas Hidráulicas: ................................................................................ 22
3.3.4.4.2 Geradores: .................................................................................................. 24
3.3.5 Estudos de caso. ....................................................................................................... 25
3.4. A energia fotovoltaica: ............................................................................................. 29
3.4.1 Radiação solar.......................................................................................................... 29
3.4.2 Irradiância e insolação ............................................................................................. 31
3.4.3 O sistema fotovoltaico ............................................................................................. 32
3.4.3.1 Introdução ......................................................................................................... 32
3.4.3.2 Componentes .................................................................................................... 33
3.4.3.2.1 Painel solar ................................................................................................ 33
xi
3.4.3.2.2. Bateria ....................................................................................................... 34
3.4.3.2.3 Condutores e fusíveis ................................................................................ 34
3.4.3.2.4. Controladores de carga ............................................................................. 34
3.4.3.2.5. Inversores ................................................................................................. 35
3.5. A Resolução Normativa da ANEEL ......................................................................... 36
4. Metodologia ...................................................................................................................... 37
4.1. Caracterização da área e medições em campo .......................................................... 37
4.2. Avaliação energética da microcentral....................................................................... 39
4.3. Cálculo dos componentes necessários a implantação microcentral hidrelétrica ...... 41
4.3.1. Adução .................................................................................................................... 41
4.3.2. Canal de fuga .......................................................................................................... 42
4.3.3. Gerador ................................................................................................................... 42
4.3.4. Barragem ................................................................................................................ 42
4.3.5. Tomada d’água ....................................................................................................... 45
4.4. Estimativa energética do sistema fotovoltaico ......................................................... 45
4.5. Análise econômica .................................................................................................... 46
5. Resultados ......................................................................................................................... 49
5.1. Caracterizações em campo e medição de vazão ....................................................... 49
5.2. Resultados dos componentes da microcentral hidrelétrica ....................................... 52
5.2.1 Adução ..................................................................................................................... 52
5.2.2 Canal de Fuga .......................................................................................................... 53
5.2.3 Turbina e Gerador .................................................................................................... 54
5.3. Resultados para o sistema fotovoltaico .................................................................... 56
5.4. Viabilidades econômicas .......................................................................................... 58
6. Conclusões ........................................................................................................................ 61
7. Referências ....................................................................................................................... 62
1
1. INTRODUÇÃO
A relação entre consumo de energia e desenvolvimento é bem característica, e diretamente
proporcional. Isto é, de modo geral, quanto mais desenvolvido o país, maior é seu consumo de
energia per capita, os indivíduos melhoram sua condição social, ou seja, aumentam sua renda
eseu consumo de energia, devido a maior facilidadede acesso a bens e serviços que utilizam
tal serviço, evidenciando o quão importante é a influenciado consumo de energia no
desenvolvimento de um país.
Dado que ainda é uma realidade a existência de propriedades rurais e comunidades isoladas
não servidas pela rede de distribuição de energia elétrica, e como a auto-produção de energia
de modo distribuído, feita próxima a centros consumidores, é uma das chaves para melhoria
da eficiência da rede de energia elétrica e para promoção de uma maior sustentabilidade na
geração energética, se verifica a necessidade de estudos que se proponham a investigar a
viabilidade técnica e econômica desta forma de geração. Nos dias de hoje diversos fatores
dificultam o micro e pequenos produtores de energia a se estabelecerem no mercado de
energia tais como: alta carga tributaria alto preço dos equipamentos, falta de mão de obra
especializada, entre outros. (ANEEL, 2005).
A resolução 482 (ANEEL, 2012)é definida como um tipo de sistema de compensação pelo
qual a energia gerada com microgeração ou minigeração distribuída é cedida a companhia de
energia local e posteriormente há um compensamento de energia elétrica ativa dessa mesma
unidade consumidora. A investigação da viabilidade técnica e econômica de projetos de
geração distribuída que se enquadrem na resolução 482 é o tema que presente trabalho se
propõe a estudar.
2
2. OBJETIVO
O presente trabalho tem como objetivo dimensionar e analisar a viabilidade técnica e
econômica de dois projetos de energia renovável: ucH e um sistema fotovoltaico para
suprimento da Casa de Recuperação Nova Jerusalém no município de Itajubá MG.
Como objetivos específicos propõem-se:
1) Levantamento topográfico e definição de um arranjo para a uCH na casa de
recuperação;
2) Estimativa energética da uCH e do sistema fotovoltaico;
3) Levantamento de custos dos equipamentos necessários;
4) Análise de viabilidade econômica dos sistemas dentro dos parâmetros da resolução
ANEEL 482 para geração distribuída
3
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Importância da Energia Elétrica
Nos dias atuais é de grande importância para o desenvolvimento rural, o acesso à eletricidade,
por proporcionar iluminação de residenciais, escolas e postos de saúde, aquecimento de água
e secagem de grãos e frutas, além de geração motriz para práticas agrícolas criando geração
de renda. No Brasil grande parte das pessoas ainda não possui essa energia disponível e esse
número cresce a cada ano. Programas de eletrificação são criados, masainda assim não
acompanham a taxa crescente de crescimento populacional. (TIAGO, NUNES e MOURA,
2006).
Um dos principais indicadores do desenvolvimento econômico e do nível de qualidade de
vida de qualquer sociedade é o consumo de energia, que reflete tanto em quantidade de
atividade no setor industrial, comercial e de serviços, quanto à capacidade da população de
adquirir bens e serviços tecnologicamente mais avançados, como por exemplo, os automóveis
que demandam combustíveis fósseis; eletrodomésticos e eletroeletrônicos, que exigem acesso
à rede elétrica e necessitam de uma alta demanda da rede elétrica. (GOLDEMBERG, 1998).
Essa relação mencionada foi o principal motivo do intenso crescimento no consumo mundial
de energia verificado nesses últimos anos. Como mostra a figura 1, entre 2003 e 2007 no
Brasil a uma crescente expansão econômica mundial, sendo refletido na variação crescente do
PIB : 3,6% em 2003; 4,9% em 2004; 4,4% em 2005; 5% em 2006, seguindo uma série
histórica mostrada pelo Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada (IPEA, 2008).
A variação acumulada do consumo de energia neste mesmo período foi de 13%, com um
resultado de crescimento de 1.271 milhões de toneladas equivalentes de petróleo (tep)de 2003
para 2007, observado no BP StatisticalReviewof World Energy, lançado em junho de 2008,
comparando os anos de 1973 e 2006. Nesses 33 anos houve um aumento de 73% do consumo
mundial ao passar de 4.672 milhões de tep para 8.084 milhões de tep. (IEA, 2011)
4
Figura 1. Variação do PIB e do consumo de energia no mundo entre 1998 e 2007.Fonte: Ipea (2008, apud ANEEL 2008).
Outra relação bastante significativa seria do tipo de energia utilizado com o aumento do PIB e
consumo de energia nos países da OCDE (Organização para a Cooperação e
Desenvolvimento Econômico) entre os períodos de 1973 a 2006, seguindo a figura 2.
Figura 2. Participação de diversas fontes de energia no consumo no mundo entre 1973 e 2006. Fonte (IEA, 2007)
As reservas mundiais de petróleo e de gás natural tem um alcance de 42 e 65 anos
respectivamente, indicando que é possível usufruir apenas mais uma geração, demonstrando
que com mesmo todos os avanços tecnológicos na exploração do petróleo, esses recursos são
finitos (BEN, 1999). Assim torna-se necessário a conservação de recursos e o
desenvolvimento de fontes renováveis de energia.
5
Segundo Goldemberg (2004), os benefícios da conservação são de extrema importância, pois
minimizam os impactos ambientais, conseqüência da geração de energia, além de prolongar a
vida útil das fontes finitas. Correndo paralelamente com o desenvolvimento das novas formas
de aproveitamento energético, a conservação é um dos principais meios para evitar futuras
crises.
Pensando em desenvolvimento sustentável, discute-se que o caminho mais rápido, eficiente e
barato, para assegurar uma quantidade necessária de energia para o futuro é uma combinação
de uma série de medidas: aumentar a eficiência no uso da energia; diminuir o emprego de
óleo, carvão e gás natural, diminuir o uso das não-renováveis; e investir no emprego de
recursos energéticos renováveis tal como as solares, eólicos e hidro energéticos. (ROCHA,
2000).
Neste cenário, as principais fontes de energias derivadas do petróleo vêm cada vez mais sendo
substituídas por fontes alternativas que estão se destacando no mercado. Aproximadamente
5% da energia consumida no planeta vêm de alguma fonte renovável e estima-se que o
crescimento dessas para até 2060 seja de aproximadamente 70% sendo que a população
devera ser em torno de 12 bilhões de pessoas. Essas energias são consideradas “limpas”, o que
significa baixo nível de poluição e não apresentam risco de extinção,com algumas exceções.
(FERNANDES et al., 2004)
A taxa média anual de geração de eletricidade no Brasil cresceu de 4,2% entre 1980 e 2002,
tendo como principal geração a energia hidráulica, sendo que neste é considerado uma das
nações mais ricas em disponibilidade de recursos hídricos. Outras fontes geradoras de
eletricidade utilizadas no país são a termonuclear, as termelétricas a gás natural e a óleo
diesel, sendo que nenhuma delas passa de 7% do total produzido. Uma fonte que merece
destaque é a geração por biomassa que em 2002 provinha de 159 usinas, com capacidade de
992 MW, ou seja,8% da energia elétrica de origem térmica do pais. (GOLDEMBERG e
LUCON; 2007).
Segundo estimativas oficiais de fornecimento de energia elétrica, no Brasil até 2006, 93,48%
das pessoas contem energia elétrica em seus domicílios (média nacional). Porem dados
fornecidos pele Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento (PNUD)afirma que
84% das famílias que não tem esse acesso à eletricidade no País vivem com índice de
6
desenvolvimento humano municipal (IDH-M) abaixo da média nacional (0,776). (FILHO;
GABETTA; CAMPOS; 2006).
Segundo o IBGE apartir dos dados doCenso, o serviço energético em 2010 atinge cerca de
99,1% da área urbana e aproximadamente 88,7% da área rural. Contando com isso a
população privilegiada por sua riqueza e localização geográfica teve os grandes blocos de
energia direcionados para si, aumentando a desigualdade social e econômica do País,
contando que a distribuição de energia acompanhou o mesmo modelo de distribuição de
renda, nos mostrando que o acesso precário à energia elétrica anda em conjunto com a
localização da região, uma vez que 90% dessa população têm baixo rendimento econômico e
que 10 milhões estão em áreas rurais e povoadas de forma rarefeita (TIAGO FILHO;
GABETTA; CAMPOS, 2006).
Neste contexto, Gimenes (2000) afirma que a energia elétrica tem papel essencial no contexto
global da infraestrutura, propiciando o acesso à tecnologia e informação, dentre outros
componentes (GIMENES VEIGA, ANDRÉ, 2000).
3.2. Matriz energética do Brasil
3.2.1. A energia no Brasil
No começo do século XIX, com imensas florestas e uma enorme dimensão geográfica não
comparava com sua população extremamente pequena, a exploração de áreas para a ocupação
agrícola assegurou, por muito mais de um século, o suprimento excessivo de lenha como
recurso energético dominante, tanto quanto nas atividades industriais quanto para atender
àrequisitos residenciais, que eram basicamente o cozimento de alimentos e ao aquecimento do
ambiente e da água, isso nas regiões de extrema necessidade (CAMARGO, et al. 2004).
Segundo GOLDEMBERG (2007), consumo e produção de energia hoje são baseados nas
fontes fósseis, gerando poluente locais, gases de efeito estufa (GEE) colocando a saúde e o
bem estar do planeta em risco em longo prazo. Este padrão de consumo precisa ser mudados
e, o desenvolvimento de energias renováveis, estimulado. Nesse quesito, o Brasil apresenta
condições extremamente favoráveis em relação ao resto do mundo, devido a grande
disponibilidade de recursos naturais. Contudo, ainda segundo Goldenberg (2007), o incentivo
7
a outras fontes “modernas” de energias renováveis é bastante recente no Brasil quando
comparado a outros países.
A tabela 1 fornece o percentual das diferentes fontes de energia com relação aototal
consumida no Brasil e no mundo em 2003.
Tabela 1: Energia primária no Brasil e no mundo em 2003, total e parcelas conforme
dados da Agência Internacional de Energia (IEA, 2003).
Energia primária Brasil Mundo Total, bilhões de tep 0,193 10,7
Par
ticip
ação
das
font
es (
%)
Não-renováveis Fósseis
Petróleo 43,6 35,3 Gás natural 6,6 20,9 Carvão 6,8 24,1
Nuclear 1,8 6,4 Subtotal 58,7 86,6
Renováveis
Tradicionais Biomassa tradicional 19 9,4 Convencionais Hidráulico 15,3 2,1
Modernas, “novas" Biomassa moderna 6,9 1,2 Outras: solar, eólica etc. <0,1 1,7
Subtotal 41,3 14,4
Um dos pilares da matriz elétrica no Brasil é a fonte hidráulica (GOLDENBERG, 2007),
sendo que as usinas hidrelétricas UHE e termoelétricas UTE, são responsáveis por
respectivamente 69.2% e 29,5% (BEN, 2014) da produção nacional, e são elas que, garantem
à base da geração de eletricidade no Brasil. A geração de energia elétrica por fontes está
apresentada na tabela 2, e nesta pode-se observar também a baixa presença de fontes
renováveis, como solar e eólica na matriz Brasileira.
8
De /1997 a 2013, a capacidade instalada de geração hidrelétrica cresceu até 85.000 MW
atingindo valores quase três vezes superiores a capacidade de geração das usinas
termelétricas, próxima a 30.000 MW no ano de 2014, como mostra a figura 3. A
proeminência hídrica na produção de eletricidade também pode ser observada, discriminada
em percentuais por setor, na figura 4.
Tabela 2- Distribuição da Geração de energia elétrica por fontes em 2008. Fonte: BEN (2014)
Geração de Energia
Elétrica
Empreendimentos P (10³ KW) Percentual
Central Geradora
Hidreletrica
227 120.009 0,11
Central Geradora
Eolielétrica
17 272.650 0,26
Pequena Central
Hidrelétrica
320 2.399.598 2,29
Central Geradora Sola
Fotovoltaica
1 20 0
UsinaHidrelétrica de
Energia
159 74.632.627 71,20
Usina Termonuclear 2 2.007.000 1,92
Usina Terméletrica de
Energia
1.042 25.383.920 24,22
Total 1768 104.815.824 100
9
Figura 3: Capacidade de geração elétrica instalada. Fonte: BEN 2014.
Figura 4: Matriz elétrica por tipo de fonte primária no Brasil. (Fonte: BEN, 2014).
10
Segundo o BEN (2014), a produção de eletricidade por fonte eólica alcançou 6,579 GWh em
2013, o que indica um crescimento de 30,3% em relação ao ano de 2012 que atingiu 5.050
GWh. Dentre todas as fontes, destaca-se o crescimento da potência instalada para geração
eólica no país, que aumentou ainda 16,5% em 2013, segundo o Banco de Informações da
Geração (BIG), da Agencia Nacional de Energia Elétrica (ANEEL,2005) alcançando 2.207
MW ao final de 2013.
Quanto à energia solar, o emprego da energia fotovoltaica ainda não apresenta viabilidade
econômica, contudo a tendência é que este tipo de geração comece a se tornar viável nos
próximos anos, inclusive em empregos de pequeno porte (Caracterizando a geração
descentralizada – que será discutida adiante) como, por exemplo, em sistemas rurais isolados,
apresentam alto custo de implantação que deverão porém reduzir-se rapidamente. Este fato
pode ser observado na figura 5. Ainda de acordo com a figura 5, a capacidade de geração deve
aumentar acentualmente conforme o custo de implantação diminui.
Figura 5: Perspectiva da energia solar até 2050. Fonte: Revista Época, 2012.
Em 2014, estão previstas que sejam instalados no mundo 40GWp, entre instalações em
telhados e usinas solares. (Revista BSP,2014). Um exemplo de destaque no desenvolvimento
de energia solar é. a Alemanha, líder nesse tipo de tecnologia e que aumentou sua capacidade
instalada de 10 gigawatts para 17 gigawatts de 2009 para 2010 e tem uma perspectiva que a
geração no mundo deve aumentar até 640% até 2020, conforme dados Agencia Internacional
de Energia. (Revista Época,2012) .
11
3.2.2 Geração isolada no Brasil
Segundo Rosa (2007), sem nenhuma concepção filosófica sofisticada, o significado de
“Comunidade isolada”, quando utilizado para o setor elétrico brasileiro, é dado apenas
aquelas comunidades que não recebem o serviço de energia elétrica.
Segundo o Ministério de Minas e energia (MME, 2004) cerca de 2 milhões de domicílios
rurais são desprovidos de energia elétrica no Brasil, sendo que as regiões que mais sofrem são
o Norte e o Nordeste contando com aproximadamente 80% do total sem acesso a eletricidade
do no país como mostra a figura 6, o que até 2004 equivalia a cerca de 10 milhões de pessoas
que moravam no meio rural que não eram atendidas por esse serviço publico. Esse déficit não
é exclusivo das áreas rurais, mas é desproporcional em todas as regiões do país. (Goldemberg
et al., 2004 apud Barreto,2008) .
Figura 6: – Localização Regional dos Domicílios Rurais sem Atendimento de Energia Elétrica (%). Fonte: MME, 2004.
Segundo o Censo Demográfico de 1991, há uma forte correlação entre o índice de
desenvolvimento humano com a taxa de eletrificação residencial, a figura 7 ilustra a taxa de
eletrificação dos domicílios brasileiros, quer dizer a taxa de domicílios com energia elétrica
no Brasil (IBGE, 1994)
12
Figura 7: – Taxa de eletrificação residencial e proporção de domicílios eletrificados por estados. Fonte: ANEEL, Atlas de Energia Elétrica no Brasil, 2002.
A pequena demanda em locais isolados por esse serviço energético inviabiliza o
desenvolvimento de linhas de transmissão, onerando os custos de implantação além das
enormes distâncias de uma comunidade a outra, essas grandes dificuldades impedem que esse
meio seja provido de eletricidade (CORREIA, 2005).
Pensando em reverter esse quadro através da Lei nº. 10.438,de 26 de abril de 2002 e do
decreto nº. 4.873 de 11 de novembro de 2003 (Brasil, 2003) o Governo Federal instituiu o
Programa Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia Elétrica – “Luz Para
Todos” (Brasil, 2002). Com um cronograma de universalização do atendimento com previsão
de ser concluído até em 2014, busca levar energia elétrica aos brasileiros que se encontram
ausentes desse tipo de serviço. Buscando estender as redes de distribuição de energia e
apressando a implantação das centrais elétricas descentralizadas e isoladas abreviando o
tempo das concessionárias, que tinha uma previsão de termino para 2018 (BRASIL, 2003).
Outra medida tomada pelo governo foi à criação do PROINFA, Programa de Energia Elétrica,
constada na Lei nº 10.438, em 26/04/2002, e visa a aumentar a participação da energia elétrica
produzida por empreendimentos de Produtores Independentes Autônomos, recebidos por
fontes eólicas, pequenas centrais e biomassa, com um total de 1.100 MW por fonte, no
Sistema Elétrico Interligado Nacional “SIN” (BRASIL, 2002).
13
Na ultima década, houve um crescimento econômico no país, o que implicou um aumento na
demanda de energia, acelerando o crescimento do SIN: segundo o ONS, a previsão para 2015
era a de entrada em operação de diversas nova linhas de transmissão, sua maioria na região
Norte. A figura 8 mostra o mapa do SIN, incluindo futuras linhas previstas no horizonte 2015.
Figura 8: – Sistema Interligado Nacional – horizonte. Fonte: ELETROBRAS (2009).
A figura 9 mostra de forma ilustrativa apenas, a localização dos diversos Sistemas Isolados.
Esses sistemas estão localizados muitas vezes em comunidades próximas a rios, fato que
demonstra a possibilidade de se utilizar micros centrais hidrelétricas para abastecimento
destas comunidades.
14
Figura 9: – Mapa do Sistema Isolado. Fonte: ELETROBRAS,2009.
Um dos meios para se atender parte da população que ainda não usufruem do serviço de
energia elétrica ou comunidades isoladas surgem como alternativas energéticas para o meio
rural como aproveitamento do potencial das pequenas fontes descentralizadas de energia e seu
potencial como principal desenvolvedor local. (MME, 2001 apud ALBANO NETO,2012).
Neste contexto, o uso de energia renovável tem ganhado repercussão nesse tipo de geração
descentralizada. Essas comunidades muitas vezes, têm esses tipos de fontes abundantes em
seu território o que lhes podem garantir o seu abastecimento elétrico. A biomassa e a energia
hidráulica, hidro cinética, solar e eólica são opções de extrema importância para atender essas
comunidades (ALBANO NETO, 2012).
Na Amazônia Legal, esse problema de comunidades isoladas torna-se ainda mais evidente,
pois estas estão dividas e distribuídas de forma bem dispersa em regiões de difícil acesso. Os
índices de eletrificação rural nessas comunidades são quase nulos, apesar de obterem recursos
hídricos em abundância, a principal forma de suprimento elétrico são as unidades a diesel
(NUNES,2009). A figura 10 mostra a distribuição por estado de domicílios não beneficiados
por energia elétrica em toda região Norte:
15
Figura 10: – Domicílios não atendidos por energia elétrica nos estados da região Norte. Fonte: ABRADEE (apud NUNES, 2009 ).
As energias alternativas podem se tornar importantes indutoras no desenvolvimento da
geração distribuída. Entre elas, destacam-se no Brasil: a eólica, a solar, a biomassa e turbinas
hidráulicas de pequeno porte. Cada uma destas fontes é caracterizada na tabela 3, a seguir.
Tabela 3:Fontes alternativas de energia. Fonte: ABRADEE (apud NUNES, 2009).
Tipo de energia
alternativa
Características Impactos e limitações de uso
Energia solar O aquecimento de água e a geração fotovoltaica são os processos mais comuns de energia solar. Inúmeros projetos desenvolvidos em comunidades rurais e/ou isoladas do Brasil pode-se dividi-los basicamente em três categorias: bombeamento de água, para abastecimento doméstico, irrigação e piscicultura; iluminação pública; e sistemas energéticos coletivos eletrificação de escolas, postos de saúde e centros comunitários.
Como limitação destaca-se necessidade de grandes áreas para instalação de painéis e o preço das placas de sílica que encarecem o painel de energia solar. Também as nuvens e a escuridão reduzem armazenamento de energia comprometem sua eficiência.
16
Energia
eólica
A energia eólica é utilizada há milhares de anos no bombeamento de água, moagem de grãos e outras aplicações que envolvem energia mecânica. Impulsionada pela força dos ventos que fazem girar as turbinas. No Brasil o maior potencial está nas regiões litorâneas.
Impactos sonoros e visuais: o ruído dos rotores varia de acordo com as especificações dos equipamentos e os impactos visuais decorrem do agrupamento de torres eaero geradores. Destacam-se ainda as interferências eletromagnéticas que podem causar perturbações nos sistemas de comunicação e transmissão de dados. É relativamente caro para ser adquirido diretamente por comunidades isoladas.
Biomassa Produzido a partir de matéria orgânica(vegetal ou animal). É convertido em energia por meio da combustão em fornos e caldeiras. Um exemplo é aproveitamento do resíduo da cana-de açúcar pelo setor sucro-alcooleiro. O biodiesel, obtido a partir de óleos vegetais, também tem sido usado em projetos experimentais na Amazônia. Entre as espécies utilizadas Silva e Berman(2004) destacam: o dendezeiro (Elaeisguineensis), o buritizeiro (Mauritiaflexuosa), a copaibeira (Copaipheramultijuga), o babaçu (Orbignyamartiana), a andiroba (Carapaguianensis) e a ucuúba (Virolasurinamensis). E ainda, o aproveitamento dos resíduos de madeireiras.
Um impacto ambiental do biodiesel é o desmatamento em virtude da crescente necessidade de grandes áreas de cultivo para a produção de biomassa.
Turbinas Hidráulicas e
Turbina hidrocinética
É considerada um aprimoramento da roda
d’água. Normalmente nos lugares onde há
uma roda d’água, também há potencial para
se usar uma turbina hidráulica. A Turbina
hidrocinética é uma turbina com os mesmos
princípios das turbinas hidráulicas,
entretanto, é de tamanho inferior, de fácil
manuseio e baixo custo.
O impacto ambiental é quase nulo. Não
necessita de barragens e não
interrompe a navegação ou a passagem
da fauna aquática. Uma limitação das
turbinas hidráulicas convencionais é a
ausência de produtos que atendam a
capacidade energética mínima de
pequenas comunidades isoladas(até
5kw, por exemplo.)A turbina
hidrocinética visa atender essa lacuna.
17
3.3. As Microcentrais hidrelétricas
3.3.1. Justificativa
Segundo Tiago Filho (2007), para possibilitar o fornecimento de eletricidade em propriedades
rurais às micro centrais são uma ótima opção. Estas são construídas aproveitando-se os cursos
d’água com vazões e quedas relativamente pequenas e com baixo custo de obra. Se as
condições topográficas e hidrológicas forem favoráveis, o emprego da mesma justifica-se em
muitas situações, destacando-se:
• locais onde não há distribuição de eletricidade via a redes da concessionária. Em
fazendas, em que o uso de eletricidade é elevado, como é o caso da casa de
recuperação a ser analisada neste trabalho.
• locais onde os habitantes possuem uma baixa qualidade de vida.
• atendimento à programas de universalização do uso da energia elétrica, etc.
3.3.2 Vantagens
As microcentrais hidrelétricas são uma forma interessante de produção de energia, pois
representam uma forma de geração de energia limpa e renovável, com um baixo custo de
operação e manutenção, em comparação com outras formas de energia, e com condições de
atendimento as locais de difícil acesso. Além disso, tais empreendimentos hidroenergéticos
não geram nenhum risco de emissão de gases atmosféricos, durante a geração de eletricidade,
sendo o principal benefício ambiental das pequenas centrais o descolamento das emissões da
geração de eletricidade, repercutindo assim, um impacto positivo de proporção global
(ELS,2004).
Segundo Tiago Filho (2007), podem se relacionar algumas vantagens a utilização de energia
hidráulica, tais como:
• Produção de energia a uma taxa constante; sendo desnecessário o emprego de baterias
para armazenamento.
18
• Concepção simplificada que apresentam baixo custo de manutenção e implantação e
facilidade na operação.
• Utilização de uma tecnologia antiga, totalmente conhecida e aplicada.
• Apresenta o menor custo em relação a outras fontes de energia.
3.3.3 Classificação
A Classificação de uma central hidrelétrica é apresentada na tabela 4.
Tabela 4: Classificação da geração hídrica. Fonte: CERPCH (2011).
Hidrelétricas Potência
1. Grandes Centrais (CGH) Acima de 50 MW
2. Médias Centrais (UHE) De 30 a 50 MW
3. Pequenas Centrais (PCH) De 1 a 30 MW
4. Micro Central (MCH) De 20 até 100 KW
5. Pico Central (PCH) Até 20 KW
Tiago Filho (2006) refere-se à fonte de energia hidráulica no Brasil como três classes distintas
de empreendimentos: as Mini Centrais Hidrelétricas – mCHs (P ≤ 1000kW), as Pequenas
Centrais Hidrelétricas – PCH’s (1000kW < P ≤ 30000kW) e as Usinas Hidrelétricas – UHEs
(P > 3000kW).
3.3.4 Componentes de uma Microcentral Hidrelétrica
Segundo Tiago Filho (2007), pode-se dividir os componentes das microcentrais hidrelétricas
em dois grupos diferentes: as estruturas civis (barragem, captação e adução de água) e os
componentes hidromecânicos e eletromecânicos sendo que ambas são discutidas
posteriormente.
3.3.4.1 Barragem
A construção de uma barragem ligada a uma usina hidrelétrica pode ter três
finalidades: a concentração de um desnível de um rio para produzir uma queda, a criação de
um grande reservatório capaz de regularizar o deflúvio ou simplesmente o levantamento do
19
para possibilitar a entrada de água num canal, num túnel ou numa tubulação que a aduza para
casa de força (usinas de derivação). Uma barragem pode ser construída para mais de uma
finalidade, simultaneamente. Além disso, as barragens podem servir para outros fins, como
por exemplo, para navegação, para controle de cheias ou para irrigação (Schreiber, 1978).
Segundo Azevedo (2005), barragens homogêneas são aquelas executadas em solos
compactados. Embora a denominação homogênea, a seção destas barragens pode ser
construída com diversos tipos de solo e com diferentes características, desde que haja uma
característica predominante: o solo compactado. Estas barragens possuem no seu interior um
filtro drenante e na sua fundação a jusante um tapete drenante para controle do fluxo,
subpressões e intercepto de fluxo pelo corpo da barragem.
Conforme Tiago Filho et al.,(2008), as barragens podem ser de diversos materiais tais como
madeira, terra, pedra ou concreto e classificadas como de do tipo gravidade e infláveis de
borracha. As barragens do tipo gravidade são as mais utilizadas em micro e minicentrais
hidrelétricas, podendo ser classificadas em:
• Barragem à gravidade de concreto: são as mais comuns utilizadas atualmente.
• Barragem de enrocamento: são moldadas em pedras, e são empregadas onde as de
terra e as de alvenaria não são recomendadas.
• Barragens mistas: são aquelas que sua estrutura tem uma parte de terra e a outra de
enrocamento.
• Barragem de terra: é o método mais antigo usado para se reter água, e estão associadas
a um vertente em concreto ou pedra argamassada. A tabela 5 ilustra os diferentes tipos
de barragem de terra.
20
Tabela 5: Tipos de barragem de terra. Fonte: Adaptado de TIAGO FILHO et al.,(2008).
Barragem de
terra
Uso Ilustração
Material
Homogêneo
Quando o local
apresentar
jazidas de solo
em boas
condições.
Material Misto Quando o
volume de solo
bom não ser
suficiente para
construção de
toda barragem.
Núcleo
Permeável
Quando não
houver matéria
em boa
qualidade,
apresentando
apenas material
arenoso.
Cobertura
impermeabilizan
te
Constrói-se a
camada
impermeabilizan
te em face
montante da
barragem.
21
3.3.4.2. Tomada d’água
Segundo Nogueira e Tiago Filho (2007), a tomada d’água regulariza vazão de entrada e retira
as “sujeiras” por meio de grades,tais como folhas e galhos carregados pela fluxo d’água, além
de captar a água e leva-la até o sistema de adução.
Ligada diretamente à tubulação forçada que encaminha a água a casa de máquina ou,
dependendo da topografia local, capta a água e descarrega em um canal aberto de adução ou
em uma tubulação de baixa pressão que encaminhara a água até um local mais adequado onde
se implantara a tubulação forçada. (ELETROBRAS,1985). A figura 11 ilustra uma tomada
d’água vista de montante:
Figura 11: Tomada d’água vista de montante.Fonte: Nogueira e Filho (2007).
3.3.4.3. Sistema de adução:
Segundo Tiago Filho et al.,(2008), é um trecho com baixa declividade (baixa pressão)
apresentando um canal aberto, e outro com declividade mais acentuada (alta pressão)
apresentando assim, um conduto forçado ou utilizando uma chaminé de equilíbrio , nessa
transição de baixa para alta pressão encontra-se a câmara de carga.
22
Figura 12: Trecho de um canal de adução escavado em rocha, parte de um conduto forçado de baixa pressão. Fonte: Nogueira e Filho (2007).
3.3.4.4: Componentes hidromecânicos
É uma série de acessórios que permitem o controle e a proteção do sistema (válvulas,
comportas, grades, juntas de expansão), além de ser responsáveis também pela transformação
da energia hidráulica em energia elétrica (turbinas e geradores) os mesmos representam a
maior parcela de custo do empreendimento (TIAGO FILHO et al.,2008).
3.3.4.4.1 Turbinas Hidráulicas:
É o principal equipamento responsável pela primeira transformação de energia que ocorre em
uma central hidrelétrica (TIAGO FILHO et al.,2008).
As turbinas hidráulicas podem ser de ação ou reação. As primeiras englobam aquelas que
transformam somente a energia cinética da água, enquanto turbinas de reação convertem a
energia mecânico-hidráulica em energia mecânico-motriz (Siqueira, 2006). Estas são
explicadas abaixo:
• Turbinas de ação:
Segundo Nogueira e Tiago Filho (2007) ,quando ocorre a transformação da energia hidráulica
disponível em energia cinética para depois de incidir nas pás do rotor e se transformar em
energia mecânica: sempre ocorrendo em pressão atmosférica. Um exemplo desse tipo de
turbina é a Pelton que será detalhada a seguir:
23
-Turbina Pelton: constituída basicamente por um rotor, onde se fixa pás ou conchas, por uma
tubulação de adução que contém um ou mais injetores e por blindagens metálicas no caminho
da água. (ELETROBRAS,1985). A figura 13 apresenta um grupo gerador equipado com
turbina Pelton:
Figura 13: Turbina Pelton: (a) vista de uma turbina Pelton; (b) detalhe da incidência de água sobre uma turbina Pelton. Fonte:TIAGO FILHO et al. (2008).
• Turbinas de reação:
Caracteriza-se pelo rotor ser completamente afogado. Possui um tubo de sucção que
possibilita recuperar parte da energia cinética da água que deixa o rotor, um exemplo desse
tipo de turbina seria a Francis explicada a seguir.
• Turbina Francis:
Geralmente utilizadas em quedas inferiores a 10 metros, tem seu eixo geralmente na posição
horizontal, o que ajuda a instalação e a manutenção do gerador correspondente, porém as
deeixo na posição vertical possuem a vantagem de se colocar o gerador acima do nível
máximo da água. (ELETROBRAS, 1985). A figura 14 apresenta os três tipos de rotor de uma
turbina Francis:
24
Figura 14: Rotor Francis: a)Lento b)Normal;c) Rápido. Fonte: TIAGO FILHO et al. (2008).
O tipo de turbina hidráulica a ser instalada em um empreendimento pode ser selecionadas por
meio da combinação entresua rotação específica (nqA = 10³.Q0,5.n/(9,81.H)0,75 ) e a queda da
usina, como demonstra a figura 15.
Figura 15: Diagrama para seleção de turbinas em função do nqA e da queda da usina. Fonte: Souza et al. (2009).
3.3.4.4.2 Geradores:
Segundo Tiago Filho et al. (2008), é o elemento responsável pela conversão da energia
mecânica em energia elétrica, sendo a segunda conversão de energia em uma central
hidrelétrica.
25
Possuem rendimento elevado de 85 a 90%, sendo esta faixa de potência para uma
microcentral, sendo os mais utilizados os geradores do tipo síncronos, porém podem ser
também utilizados os de motores por indução, sendo que os mesmos possuem custo inicial e
manutenção menor, porém sua eficiência seja de 2 a 4% dos síncronos (NOGUEIRA e
TIAGO FILHO, 2007).
No mercado brasileiro, os geradores disponíveis podem ser geralmente classificados em dois
tipos: síncronos ou assíncronos (TIAGO FILHO et al.,2008).
Os geradores síncronos podem ser divididos em:
• Aquelesacionados por um motor ou por uma turbina hidráulica que possuem pólos
salientes, um enorme diâmetro e um pequeno comprimento axial além de ser
caracterizados por possuírem uma velocidade baixa.
Figura 16: Vista do rotor e estator de um gerador. Fonte: TIAGO FILHO et al. (2008).
• Quando são normalmente utilizados em centrais termoelétricas, são chamados de
turbugerador, pois possuem velocidades mais altas.
No caso de µCH e mCH não há impedimento de adequar a rotação síncrona do gerador ,
observando assim geradores de no mínimo 600 rpm. Quando geradores com velocidades mais
baixa exigem grandes números de pares de polos, exigindo máquinas com dimensões maiores,
o que torna muitas vezes o projeto inviável. (TIAGO FILHO et al.,2008).
3.3.5 Estudos de caso.
26
A seguir apresentam-se dois exemplos reais já implementados (conforme descritos por Tiago
Filhoetal., 2008).
a) A µCH Jatoarana
Localizada no IguarapéJatoarana, fica a aproximadamente 90 km de Belterra e a 140km de
Santarém, no Pará (Figura 17), visando a atender o consumo energético das comunidades de
Nova Olinda e Santa Luzia, ambas em regiões de planalto.
Figura 17: Localização do estado do Pará e da região. (TIAGO FILHO et al.,2008)
Com uma potencia instalada de 50 kW, a microcentral disponibiliza cerca 1kW para cada
residência no município, sendo o suficiente para alimentação de eletrodomésticos (geladeira e
televisão) bem como, a própria alimentação da iluminação de residências. Contou-se com a
simplicidade das instalações dos equipamentos, muito deles de fácil operação, tendo a sua
manutenção localmente o que garante a perenidade da central, e garantindo assim sua vida
útil. Optou-se assim pelo treinamento daqueles moradores da própria comunidade ou que já
tinha trabalhos desenvolvidos em atividades similares para a manutenção e operação da
central.
O arranjo apresentando (Figura 18) é de uma microcentral de desvio, com regime operando a
fio d’água, caracterizando um pequeno reservatório. O projeto dos componentes civis,
hidromecânicos e eletromecânicos foi realizando conforme as condições hidrológicas e
topográficas do local.
27
Figura 18: Arranjo da microcentral de Jatoarana. (TIAGO FILHO et al., 2008).
A µCH Jatoaranadeve abastecer, a carga da comunidade de forma interrupta, e foi um projeto
economicamente viável. Um dos principais benefícios é o grande desenvolvimento econômico
sustentável da comunidade, ou seja, uma melhor qualidade de vida para os membros da
comunidade visando a melhoria dos processos produtivos.
b) A µCH Aruã
Visando a suprir a energia elétrica da comunidade da Vila de Cachoeira do Aruã, que possuí
45 famílias residentes no local e mais 27 vivendo um pouco mais afastadas dali.
Localizada no Médio Amazonas, na confluência dos Rios Amazonas e Tapajós (Figura 19), a
cidade de Santarém, com sede a 36m acima do nível do mar, tem uma economia baseada na
agropecuária, no extrativismo e no comércio; porém, as atividades turísticas começam a
ganhar espaço, graças a beleza de suas praias.
Figura 19: Localização do estado do Pará e da região dentro do estado. (TIAGO FILHO et al.,2008)
28
Obteve-se uma vazão para o projeto de Aruã de 1,12 [m3/s]e uma altura total de queda líquida
de 7,28 m. A instalação de um pequeno grupo gerador de potência total igual a 50 kW,
resultou em uma potência instalada de 65 kVA, com um fator de potência de 0,8. Não se
dispunha de uma variação de vazão disponível, então o fator de capacidade adotado foi de
0,95 para eventuais manutenções.(TIAGO FILHO et al., 2008)
Para uma eventual expansão da potência de 50 kW para 100 kW, haverá a necessidade de
ampliação da casa de máquinas para receber as futuras estruturas hidráulicas.(TIAGO FILHO
et al., 2008)
O arranjo proposto para o aproveitamento energético (Figura 20), foi para uma microcentral
hidrelétrica de desvio, a fio d’água, sendo que não há formação de reservatório nem
acumulação de água pela barragem.
Figura 20: Arranjo da µCHAruã.(TIAGO FILHO et al., 2008)
O projeto de Aruã foi bem sucedido e se verifica em toda a comunidade, a transformação com
a chegada da energia elétrica. Os principais benefícios trazidos a comunidade podem ser
observados na figura 21.
29
Figura 21: Vantagens trazidas pela implementação do projeto no cotidiano.(TIAGO FILHO et al.,2008).
3.4. A energia fotovoltaica:
3.4.1 Radiação solar
Segundo Martins (2004), no nosso planeta a principal força motriz para processos térmicos,
dinâmicos e químicos é a radiação solar. O Sol emite energia que chega até a superfície e
propaga-se como energia radiante, ou radiação. A principal característica para um campo de
radiação é a radiância (intensidade de radiação) cuja grandeza se refere à quantidade de
energia radiante em um intervalo unitário de comprimento de onda que atravessa uma unidade
de área tomada perpendicularmente à direção considerada em um espaço de tempo. Após
obter-se a radiância, pode se conseguir outra grandeza de grande importância nos estudos de
radiação atmosférica: a densidade do fluxo de radiação.
Assim sendo, o Sol é responsável pelos principais processos de ordem física, química e
biológica, tanto animal quanto vegetal, também é responsável direto na disposição da energia
primária para todos os processos terrestres, desde a fotossíntese, até a evolução de
tempestades, que provocam situações meteorológicas adversas; por isso, a radiação solar é de
extrema importância para a vida na Terra (Souza et al., 2005).
A figura 22 mostra um esquema simplificado dos processos envolvidos no balanço radiativo
do planeta.
30
Figura 22: Interações da radiação solar com a superfície terrestre. Fonte: Martins (2004).
Segundo o CRESESB (2014), há uma dependência clara da radiação em relação às condições
climáticas e atmosféricas, já que não é toda radiação solar que chega a atingir toda a
superfície terrestre, devido a reflexão e absorção de raios pela atmosfera. Mesmo assim, a
energia solar incidente sobre a superfície terrestre é da ordem de 10 mil vezes maior que o
consumo energético mundial.
A Figura 23 apresenta o índice médio anual de radiação solar no País, segundo a ANEEL
(2005), e como pode se observar, os índices mais elevados de radiação são observados na
região Nordeste, com destaque para o Vale do São Francisco. É importante ressaltar ainda que
as outras regiões com menores índices também apresentam um grande potencial para o
desenvolvimento energético.
31
Figura 23: Radiação solar global diária - média anual típica (MJ/m2.dia).Fonte: ANEEL (2005).
3.4.2 Irradiância e insolação
Chama-se irradiância, a densidade de fluxo de radiação incidente sobre uma superfície, essa
atinge o topo da atmosfera e é expressa nas unidades Wm–2 (razão da potência pela área), a
mesma varia ao longo do ano, em pró dos efeitos astronômicos, principalmente aqueles que
envolvem à orbita da Terra em redor do Sol, sendo dependente de muitos fatores além
daqueles que interagem com a radiação eletromagnética com os constituintes da atmosfera da
Terra, sendo um processo complexo e de difícil descrição devida a influencia de numerosas
propriedades físicas que se encontra na atmosfera. (Martins, 2004).
Segundo Varejão (2001), a parte de energia solar que se propaga sem a necessidade de
presença de um meio material e é indicada pela quantidade de horas do dia que o disco solarse
mantém visível à superfície terrestre, em locais onde não há obstrução do horizonte é
chamado de insolação. O mapa da Figura 24 apresenta a média anual de insolação diária,
segundo a ANEEL (2005).
32
Figura 24: Média anual de insolação diária no Brasil (horas). Fonte: ANEEL (2005).
3.4.3 O sistema fotovoltaico
3.4.3.1 Introdução
Segundo Marini (2002), a energia fotovoltaica é uma solução bem interessante para locais de
difícil acesso que possuam muita radiação solar. Estes sistemas são geralmente usados para
geração de eletricidade para instalações de: bombeamento de água, refrigeração, iluminação,
telecomunicação, etc. Esse tipo de instalação está sendo cada vez mais utilizada, sendo uma
opção interessante à medida que sua confiabilidade aumenta e custo por watt diminui (vide
figura 5), tornando-os, uma alternativa interessante à rede elétrica para o suprimento da
energia elétrica em áreas rurais e regiões remotas.
A conversão solar fotovoltaica nos dias de hoje vem sendo cada vez mais cotada como um
meio de substituir os métodos mais conhecidos de geração de eletricidade, pois na época
atual, em que os problemas ambientais se agravam e as matérias primas se esgotam, torna-se
insustentável a exploração desenfreada dos combustíveis fósseis (Leva et al., 2004).
Segundo Leva et al. (2004), a energia fotovoltaica possui diversas vantagens tais como :
• Energia garantida mesmo em dias nublados;
33
• 12 volts de corrente continua;
• Sistema Modular leve; fácil instalação, manuseio e transporte, poder de ampliação de
acordo com sua necessidade;
• Vida útil de mais de 25 anos;
• Compatível com qualquer bateria; funcionamento silencioso;
• Manutenção quase inexistente;
• Não possui partes móveis que possam se desgastar;
• Não prejudicam o meio ambiente – emissões baixas durante o processo de produção e
nulas durante a operação
3.4.3.2 Componentes
3.4.3.2.1 Painel solar
Segundo Rosa (2007), geralmente composto por uma ou mais placas solares, são formadas
por células fotovoltaicas que tem a função de transformar a energia solar em energia elétrica.
O número de painéis a ser instalado é em função da potencia que deseja se alcançar. O que é
feito geralmente é juntar vários painéis para formar um conjunto com área suficiente para
atingir a tensão e potência desejadas. A figura 25 demonstra um poste com alimentação
fotovoltaica.
Figura 25– Poste com iluminação fotovoltaica em detalhe mostrando o painel, bateria de armazenagem de energia e lâmpadas. Fonte: Rosa (2007).
Sua principal função é de acionar as cargas ou carregar as baterias, quanto maior a área do
painel, maior a energia que podemos utilizar ou armazenar, sendo dependente da intensidade
do brilho do sol. (ROSA, 2007).
34
3.4.3.2.2. Bateria
Uma bateria é um conjunto de células ou vasos eletroquímicos, geralmente ligados em séries
ou em paralelos, que tem a capacidade de “guardar” a energia elétrica na forma de energia
química por meio de um processo eletroquímico de oxidação e redução, que ocorre no
interior. A um processo reverso quando se conecta uma carga elétrica a uma bateria, ou mais
simples dizendo a uma produção de corrente quando a conversão de energia química em
elétrica. (CRESESB, 2014).
De acordo com Rosa (2007), a principal função da bateria é acumulação de energia para que
se possa utiliza-la em situações que não haja a presença do sol ou quando a demanda de
energia for maior que a fornecida pelo sistema fotovoltaico. Ainda segundo o mesmo autor, é
recomendável se aplicar as baterias estacionárias de ciclo profundo, por possuírem vida útil de
4 a 5 anos.
3.4.3.2.3 Condutores e fusíveis
Os condutores são utilizados nos mesmos padrões dos sistemas de energia elétrica de baixa
tensão, que devem ser de cobre e com o termoplástico isolado. (ROSA, 2007). Já os fusíveis
tem a função básica de proteger os circuitos elétricos da ocorrência de curtos-circuitos Estes
são dimensionados para correntes menores que a corrente reversa que o módulo suporta.
(CRESESB, 2014).
3.4.3.2.4. Controladores de carga
É um componente eletrônico que controla o fluxo de energia dos sistemas que usam a bateria.
A figura 26 demonstra o esquema de um controlador de carga (ROSA, 2007). Eles
desconectam o gerador fotovoltaico quando a bateria estiver com uma carga plena e
interrompem a transmissão de energia quando o estado de carga da bateria estiver em um
nível mínimo de segurança. (CRESESB, 2014).
35
Figura 26– Esquema de um controlador de carga. Fonte: Rosa (2007).
3.4.3.2.5. Inversores
Segundo CRESESB (2014), inversores são dispositivos eletrônico que oferece energia elétrica
em corrente alternada (c.a), a partir de uma fonte de energia elétrica em corrente continua
(c.c) como demonstra a figura 27, tal energia é proveniente da baterias, células a combustível
ou módulos fotovoltaicos.
Figura 27– Exemplo de um inversor. Fonte: Rosa (2007)
São necessariamente instalados após o controlador de carga da bateria. Quando é alimentado
com tensão continua nos fornece em sua saída uma tensão alternada nas tensões de 110 ou
220 Volts, porem a uma perda de aproximadamente 10% de energia em sua conversão.
(ROSA, 2007).
36
3.5. A Resolução Normativa da ANEEL
A Resolução Normativa ANEEL nº 482/2012 define o Sistema de Compensação como um
meio de que toda energia ativa colocada por unidade consumidora com por qualquer meio de
geração distribuída é cedida à distribuidora local e depois compensada com o consumo de
energia elétrica ativa dessa mesma unidade consumidora ou de outra unidade consumidora de
mesma titularidade. O consumidor de energia elétrica implanta pequenos geradores em sua
unidade consumidora (painéis solares fotovoltaicos ou uma micro central hidrelétrica entre
outros), e a energia gerada é usada para compensar o consumo de energia elétrica da unidade.
Quando a geração for maior que o consumo, o saldo positivo de energia poderá ser aplicado
para abater o consumo do mês em que a energia gasta não for compensada pelos geradores.
Segundo a ANEEL (2014), para alguns usuários ligados em baixa tensão (grupo B), mesmo
que a energia injetada na rede seja superior ao consumo, será cobrado o pagamento pelo custo
de disponibilidade (Reais) isso equivale a 30 kWh (monofásico), 50 kWh (bifásico) ou 100
kWh (trifásico). Da mesma forma, o consumidor que está ligado em alta tensão (grupo A) será
cobrado apenas uma parcela da fatura que equivale à demanda contratada. A figura 28 ilustra
como funciona o Sistema de Compensação de Energia Elétrica.
Figura 28– Sistema de Compensação de Energia Elétrica. Fonte: ANEEL (2014)
37
Então, basicamente, o consumo de energia elétrica a ser faturado equivale à diferença, entre a
energia consumida e a energia injetada, se houver excedente de energia injetada que ainda não
tenha sido abatido no ciclo de faturamento corrente, a distribuidora usara essa diferença
positiva para abater o consumo medido em outro pontos tarifários, outras unidades
consumidoras de mesmo titulo ou em meses posteriores, como mostra a tabela 6 a seguir
mostrando como funciona para um consumidor do grupo B (Baixa tensão). (ANEEL, 2014).
Tabela 6: Exemplo de consumo e geração elétrica no primeiro trimestre. Fonte: ANEEL
(2014)
Mês
Consumo
(kWh)
Injetado
(kWh)
Crédito acumulado
(kWh)
Fatura sem
Geração
distribuida
Fatura com
Geração
distribuída Diferença
Janeiro 330 353 23 R$ 114,51 R$ 34,70 R$ 79,81 Fevereiro 360 360 23 R$ 124,92 R$ 34,70 R$ 90,22
Março 460 335 0 R$ 159,62 R$ 35,39 R$
124,23
Pode se observar na tabela 6 que no mês de janeiro o consumo da unidade consumidora (330
kWh) foi abaixo que a energia ativa injetada na rede (354 kWh), o que implica um crédito de
(23 kWh), que poderá ser utilizado para abater um consumo posterior, porém a uma taxa
mínima de disponibilidade (R$ 34,70) que devera ser pago ao mês de janeiro o mesmo se
aplicando ao mês de fevereiro onde o que se injetou foi exatamente o que se consumiu sendo
necessário o pagamento novamente da taxa de disponibilidade, já no mês de março o consumo
(460 kWh) foi maior que aquele injetado na rede (335 kWh) sendo possível a utilização do
crédito de 23 kWh gerado no mês de janeiro, fazendo uma analise mais profundo do mês de
março utilizou-se a seguinte equação para aFatura do mês de março = (Consumo – Injetado –
Crédito utilizado) x Tarifa energia , onde ainda sim pode se observar que houve um valor de
R$ 35,39 a se pagar.
4. Metodologia
4.1. Caracterização da área e medições em campo
Para obter os dados necessários para a implantação da micro-central hidrelétrica, foram
realizadas visitas na casa de Recuperação Nova Jerusalém. Esta conta com aproximadamente
38
25internos e está localizada no bairro Canta Galo, próximo ao Bairro Santa Rosa, no
município de Itajubá (MG). O local da casa de recuperação é de difícil acesso, contendo
estradas de condições precárias e cercado por uma mata fechada, fato que dificultou bastante a
utilização do DGPS que é utilizado para se obter uma maior precisão do GPS ele utiliza
técnica de correção diferencial, necessários para coletar de valores de cota.. A figura 29
mostra uma imagem vista de cima do local.
Figura 29– Local de implantação do trabalho. Fonte: Google Earth (2015)
Foram realizadas diversasvisitas a casa de recuperação, sendo a primeira em 15/10/2014 a fim
de fazer um reconhecimento da área e escolhado melhor local para a aplicação
damicrocentral.Durante a segunda visita em 10/02/2015 já foram feitas algumas medições de
cota com auxilio do DGPS (instrumento do Laboratório do IRN), e para a execução dessa
tarefa contou-se com o auxílio de três estagiários do laboratório de informações hídricas da
Universidade Federal de Itajubá (MG). Neste primeiro dia de medição, os resultados obtidos
foram insatisfatórios e apresentaram erro elevado, sendo então desprezados.
Sendo assim fez-se necessário uma terceira visita ao local para medição das cotas com o
DGPS, realizada no dia 02/03/2015 acompanhados desta vez, pelo Senhor Alexandre
Germano Marciano, técnico do laboratório de informações hídricas da Universidade Federal
39
de Itajubá (MG) que auxiliou no manuseio do instrumento. Os dados de cotas obtidos neste
terceiro dia de medição foram utilizados para definição do arranjo da Central.
Uma quarta e ultima visita foi realizada ainda no mês 03/08/2015, com objetivo de registros
fotográficos.
.
Foi realizada ainda, a mediçãode vazão nas três ultimas das 4 visitas. Para a medição da vazão
utilizou-seum recipiente de plástico de 30L posicionado no ponto de afluência da vazão para o
córrego Ao se verificar o tempo de enchimento deste recipiente com a ajuda de um
cronômetro, pode-se calcular a vazão local por meio da equação 1.
� = �/� (1)
Onde: Q = Vazão (l/s), V = Volume (l) e T = Tempo (s)
Como já discorrido anteriormente, foramfeitas três medições de vazões em períodos
diferentes.A primeira em uma seca aguda de meses e outras duas em semanas de chuva
intensa. A partir destes dados de vazãotentou-se obter uma série de vazões para o ponto da
barragem da microcentralutilizando relação de área entre postos fluviométricos
próximos.Entretanto, os valores obtidos pela transposição dos dados fluviométricos foram
muito menores que os medidos em campo, o que mostra que grandes erros são acarretados
quando se aplica a transposição de vazões entre dois pontos de áreas de drenagem muito
diferentes.
4.2. Avaliação energética da microcentral
Uma vez definida as cotas através do DGPS para obter-se a queda liquida (equação 2), foi
necessário o calculo da perda de carga equação 3.
�� = �� − ℎ (2)
ℎ = �. �. �²/�. 2� (3)
40
Onde: Hl = Queda liquida (m), Hb = Queda bruta (m) e � = Perda de carga (m), ℎ =
Perda de carga (m), f = fator de atrito segundo Swamee-Jain (m/m), L = comprimento
(m), V = velocidade (m/s), D = diâmetro (m) e g = gravidade (m/s²).
O fator de atritofoi calculado segundo a equação deSwamee-Jain, obtida emPorto(2006)
por meio da equação 4.
� = 0,25/[log ( ɛ�,�� + !,�"
#$%&,')]²
(4)
Onde: f = fator de atrito segundo Swamee-Jain (m), ɛ = rugosidade (m), Rey=
numero de Reynolds eD = diâmetro (m).
O número de Reynolds necessário para equação (4) se encontra na equação 5.
Obtendo-se a queda liquida pode-se calcular a potencia esperada do conjunto,
além da energia total fornecida pelo mesmo por meio das equações 6 e 7,
respectivamente
)*+ = �. �. 1000/10-� (5)
Onde: Rey= número de Reynolds, D = diâmetro (m) e V= velocidade (m/s).
. = �. ��. �. ɳ (6)
Onde: P = Potencia (kW), Q = vazão (m³/s), Hl = Altura liquida (m), g =
gravidade (m/s²) e ɳ = rendimento (%).
01 = .. � (7)
Onde: E = Energia da microcentral (kWh/ano), P = Potencia (kW), ∆t = tempo de operação
anual (h).
41
4.3. Cálculo dos componentes necessários a implantação microcentral hidrelétrica
Para um estudo mais completo da viabilidade técnica e econômica da microcentral,foi
necessário o dimensionamento de alguns componentes da microcentral hidrelétrica, tais como
a barragem, canal de fuga, tomada de água, além de definição do numero de polos do gerador.
4.3.1.Adução
Para se obter o diâmetro do conduto foi realizado um balanço da perda de carga e queda
liquida e custos da tubulação a fim de que se obtivesse o menor preço e a maior eficiência do
projeto.
Posteriormente prosseguiu-se com o teste da ocorrência de golpe de aríete. O Golpe de aríete
do projeto em questão foi calculado pela equação 8 pelo parâmetro de Micheaud, sendo L o
comprimento do conduto forçado; V= velocidade no conduto forçado;2 = 8s (adotado pelo
manual da Eletrobrás (2000) para obras em PCH). A verificação do golpe de aríete foi feita
por meio do parâmetro 3456 (equação 9) e do parâmetro3(equação 8),(Souza et al. 2009).
Calculou-se ainda, a celeridade da onda gerada na tubulação pela a equação 10. Se 3>3456 há
a ocorrência de transitórios hidráulicos e golpe de aríete.
7 = 2. �. ��. 8
(8)
79:; = 0,35. ��
(9)
= = 9900?48,3 + (B�. �
$)
(10)
Onde: = = Celeridade (m/s), D = diâmetro (m),e = espessura (m) e kt= coeficiente que leva
em consideração o módulo de elasticidade do material.
42
4.3.2.Canal de fuga
Para se efetuar o dimensionamento do canal de fuga foi utilizada a formula de Manning
(equação 11), obtida em Porto (2006). Obtendo-se a declividade do terreno (Io), variaram-se
as dimensões do canal a fim deseatender a vazão mínima desejada.
� = C. ()ℎ)DE. √GH
I (11)
Onde: Q = Vazão (m³/s),A = área (m²), D = Raio hidráulico (m),Io = declividade (m/m) e n =
coeficiente de Manning tem as dimensões (J�-KE).
4.3.3.Gerador
Para o dimensionamento do conjunto gerador foi necessário relacionar algumas formulas.
Primeiramente calculou-se a rotação da turbina de acordo com a equação 12, e posteriormente
a rotação e o seu numero de polos através das equações 13 (considerando-se um multiplicador
de velocidades deaumento de 3 vezes, a fim de que se obtivesse valores de rotação próprios de
geradores comerciais, disponíveis para compra) e 14 respectivamente todas retirados de Souza
(2009).
ɳ� = 39,4. √���
(12)
Onde: ɳt = rotação da turbina (rpm) , Hl = altura liquida (m) e diâmetro da turbina .
ɳ� = 3. ɳt (13)
Onde: ɳt = rotação da turbina (rpm) e o ɳ� = rotação do gerador (rpm).
ɳ� = 120. �IM
(14)
Onde: ɳg = rotação do gerador (rpm), f = frequência (Hz) e np = número de pólos.
4.3.4.Barragem
43
De acordo com o Manual Eletrobrás – Diretrizes para estudos e projetosde PCH (1999), a
seção típica recomendada para barragens de concreto com alturas até 10 m pode ser calculada
com base na geometria apresentada na figura 30.
Figura 30– Geometria para barragens de concreto até 2m. Fonte: Eletrobrás (1999).
A cota mínima da crista deverá estar 1,0 m acima da elevação do NA Normal do reservatório.
A mureta de proteção contra ondas deverá ter uma altura mínima de 30 cm e largura de 20
cm.
Verificação da estabilidade de barragem
Segundo Lemos (s/d),fim de se evitar o rompimento da barragem, a necessidade de estudar
algumas forças em seu corpo:
• Empuxos horizontais - exercidos pelo nível de água;
• Empuxos verticais - exercidos pela subpressão de água, o peso da água atuando sobre
os planos inclinados da barragem e o peso próprio da estrutura, além de empuxos
quaisquer exercidos por esforços externos.
Para o estudo da estabilidade da barragem deve-se levar em consideração além do peso
especifico do material , as condições estáticas da barragem em função da sua altura máxima,
nível d’água e do coeficiente de subpressão.
44
Pelo método de Contessine, dimensiona-se o triângulo básico figura 31de qualquer
tipo de barragem a gravidade.
Figura 31– Diagrama geral de forças atuantes e resistentes. (Lemos, s/d)
Para se determinar a força de subpressão utiliza-se da seguinte expressão:
NO = γágua. m. H. b (15)
Onde: γágua =peso especifica da água (kg/m³), FS = força de subpressão(kgf),H = altura da
lamina d’água (m), b = base da barragem (m)e m = coeficiente de subpressão.
Foram realizadas três condições de estabilidade para a barragem segundo Souza, Zulcy
(1992):
• Tombamento:
Considera o somatório de todos os momentos atuantes em relação ao pé da barragem,
adotando um coeficiente de segurança de 1,1, sendo necessária cumprir a seguinte
condição:
W XY > FST. W X= (16)
Onde: ∑ XY =Somatorio do momento resultante (kg/m³), ∑ X= = Somatório do momento
atuante (kgf/m³),FST = Fator de segurança ao tombamento.
45
• Cisalhamento:
Necessário seguir a seguinte condição:
_ > ∑ )ℎ�. �
(17)
Onde: τ = tensão admissível de cisalhamento do material (concreto = 20 kgf/m2), ∑ )ℎ =
somatório de força horizontal (kgf)e L = largura da barragem (10m).
• Escorregamento:
Necessário seguir a seguinte condição segundo Souza Zulcy (1992):
` > ∑ )ℎ∑ )a
(18)
Onde: φ=coef. de escorregamento (0,75 para o concreto)e ∑ )a = somatório de forças na
vertical (kgf).
4.3.5. Tomada d’água
Para dimensionamento da tomada d’água considerou-se um bocal acoplado na barragem de
sacos. Segundo Porto (2006), o dimensionamento do diâmetro de um bocal depende da vazão
e da carga acima deste, conforme demonstra a equação 15.
� = 0,82 b. (�)c4 d2��
(19)
Onde: Q = Vazão (m³/s), D o diâmetro do bocal (m) e H a carga d’água (m).
4.4. Estimativa energética do sistema fotovoltaico
Para a efetuação do calculo dos painéis fotovoltaicos, foi necessário consultar o site do
CRESESB, a fim de obter a média mínima mensal da irradiação de três cidades próximas ao
local do experimento, (Campo de Jordão SP, Passa Quatro MG e Lorena SP). Procurando-se
46
uma medida de conservação, utilizou-se o ângulo com maior valor mínimo mensal de
irradiação solar, a fim de se obter um fornecimento continuo de energia elétrica,
minimizando assim, o risco de falta de energia.
Segundo BHANDARI et al.(2014), para se calcular a energia utilizou-se a equação 20:
0 = C. G1. .). ɳ (20)
Onde: E = Energia do sistema fotovoltaico (kw/dia), A = Área (m²), PR = razão de
performance (%), ɳ = eficiência (%) e Im = média mínima de insolação das três cidades
(kWh/m².dia). Vale ressaltar que o PR (PerformanceRatio) designa a relação entre o
rendimento real e o rendimento esperado do sistema fotovoltaico, ou seja, são perdas de
energia propositadas por exemplo por fatores ambientais ou devidoaelevaçõesexageradas da
temperatura quando a eficiência de conversão de energia é reduzida (Bhandariet al., 2014).
Após ser obtida quantidade de energia produzida por m² de painel pode-serealizar uma
equivalência com a energia mínima consumida na casa de Recuperação Nova Jerusalém,
obtendo-se assim a área total de painéisnecessária. Vale ainda ressaltar que a área de
disponível para implantação dos painéis no terreno em questão é ampla e possui poucos
obstáculos, o que implica em sol o dia todo.
Houve também a necessidade de se adquirir um inversor (o que é desnecessário no caso de
micro central hidrelétrica), devido ao fato dos sistemas fotovoltaicos produzirem energia em
corrente continua, sendo necessária a transformação para corrente alternada.
4.5. Análise econômica
Para se realizar uma analise econômica do empreendimento é necessário construir um fluxo
de caixa que é um método de gestão que controla as movimentações financeiras de uma
empresa, em certo período de tempo.Em outras palavras, um fluxo de caixaé o controle de
todo capital que entra ou sai de uma empresa em um determinado período.
Após se obter os fluxos de caixa de ambos os projetos (fotovoltaico e a
microcentralHidrelétrica), foram analisadas três parâmetros para analise de viabilidade:
47
1. Valor presente líquido (VPL): uma fórmula matemática-financeira utilizada para
calcular o valor presente de uma série de pagamentos futuros descontando um taxa de
custo de capital estipulada. Ele existe, pois, naturalmente, o dinheiro que vamos
receber no futuro não tem o mesmo valor que o dinheiro no tempo presente. A
equação 21 refere-se ao calculo do VPL:
�.� = W Ne�(1 + f)g
h
gij− G
(21)
Onde: VPL = Valor presente líquido,FCt = Fluxo de caixa no período t, I = Investimento
Inicial , t = enésimo período no tempo em que o dinheiro será investido no projeto (começa no
período 1, quando há efetivamente o primeiro fluxo de dinheiro); e i = taxa de desconto.
2. Taxa interna de retorno (TIR): diz respeito à taxa de desconto na qual o VPL se iguala
a zero. Podendo ser comparada com a taxa mínima de atratividade (TMA) a é a taxa
de retorno de um projeto. O empreendimento é considerado atrativo quando a mesma
é maior ou iguala TMA. A TIR é dadapela a equação 22:
JG) = f ∗→ �.� = W Ne�(1 + f ∗)g
h
gij− G = 0
(22)
Onde: TIR = Taxa interna de retorno = i*.
3. Tempo de recuperação de investimento (Payback): Este parâmetro corresponde ao
tempo no qual o somatório anual do fluxo de caixa FC se iguala ao investimento
inicial I. Este Pode ser utilizado como indicador de viabilidade de um empreendimento
caso o tempo de recuperação do investimento seja inferior a vida útil do projeto. É
representada pela equação 23:
.=+�=mB = � → W Ne�g∗
gij= G
(23)
48
Para se analisar o fluxo de caixa são necessárias o calculo do Investimento Inicial (I) equação
24:
G = W eno�Ho (24)
Dois cenários foram utilizados para a análise de viabilidade econômica de ambos os
empreendimentos, a saber:
Cenário 1: Análise realizada conforme está definida a resolução 482 da ANEEL, onde há
necessidade de pagamento de um valor mínimo equivalente ao valor de 30 kWh (Sistema
monofásico) e caso toda energia produzida seja consumida o excedente é armazenado por até
36 meses (Figura 41).
Cenário 2: Análise realizada com a alteração proposta a resolução 482 da ANEEL, com
necessidade de pagamento de um valor mínimo equivalente ao valor de 30 kWh e com venda
da energia excedente (Figura 42).
49
5. Resultados
5.1. Caracterizações em campo e mediçãode vazão
A partir da primeira visita técnica já se podeestimar o ponto no qual seria alocado o eixo da
barragem, conforme a figura 32. Resolveu-se aproveitar o bolsão de água barrado por sacos já
implantado com a função de recreação para os internos. Para que se aumentasse a queda e
consequente energia passível de ser produzida optou-se pela implantação da casa de força na
cota mais baixa presente do terreno com local disponível para construção segundo a figura 33,
que já demonstra os valores de cota do terreno.
Figura 32: Local escolhido para alocação do eixo da barragem.
50
Figura 33: Valores de cota de terreno.
A partir do croqui produzido (por meio dos pontos coletados via DGPS) foi possível obter os
seguintes valores bases de cotas. Estes foram necessários para os cálculos posteriores (Tabela
7):
Tabela 7: Valores das cotas do terreno seguindo o croqui
Cota do nível d’água da barragem 1022,59m
Cota da casa de máquinas 983,5m
Distancia da casa de maquinas a barragem (L) 393m
Os resultados de vazão foram obtidos por meio da equação 1 são apresentados na tabela 8.Os
maiores dados de vazão foram obtidos em dias situados em semanas chuvosas, e os dados de
menor vazão foram obtidos em um período de uma seca intensa, caracterizado por meses sem
chuva, registrado no início do ano.
51
Tabela 8: Resultados de vazão medidas.
Repetição Q (l/s)
10/02/2015
Q(l/s)
02/03/2015
Q (l/s)
03/08/2015
1 3,4 9,4 9,4
2 3,8 11 9,0
3 3,6 9,8 7,9
4 3,8 10,1 9,1
5 3,8 8,6 8,2
Média 3,7 9,8 8,8
Pela observação da tabela 8, verifica-se que o valor mínimo de vazão foi obtido no mês
02/2015sendo igual a 3,4 [l/s] sendo que devida a falta de dados não se pode construir uma
curva de permanênciaoptando-se por adotar então uma vazão (Q) de 5 [l/s] e assumiu-se que a
usina poderá operar com esta vazão por 80% do ano (Sendo os 20% restantes para eventuais
manutenções). Contudo para trabalhos posteriores nesta região recomenda-se a utilização de
um modleo chuva vazão para melhor estimativa das vazões locais.
Todas as variáveis necessárias para o calculo da perda de carga (equação 3), foram retiradas
de Porto (2006) apresentadas na tabela 9. O diâmetro D foi obtidopor meio de um balanço
entre a perda de carga e o custo da mangueira PVC, escolhida para adução da barragem até a
casa de maquinas, segundo o fabricante RUBBERFAST (8,63 R$/m.polegada). O balanço
está apresentado na figura 34, em que se pode observar que até 4’’, a perda de carga é muito
elevada, e a partir de 4’’, o custo é que se torna muito elevado.Assim foi escolhido um
diâmetro de 4’’.
Figura 34: Relação entre perda de carga x custo de tubulação.
0
5
10
15
20
25
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 2 4 6 8
D ''
Pe
rda
de
ca
rga
Cu
sto
tu
bu
laçã
o [
R$
]
Perda de carga Custo tubulação
52
Tabela 9: Valores das variáveis necessárias para o calculo da altura liquida (Hl).
Fator de atrito f 0,02
Comprimento L 393m
Velocidade V 0,62 m/s
Diâmetro D 0,1016 m (4’’)
Aceleração da gravidade g 9,81 m/s²
Número de Reynolds Rey 62659,43
Rugosidade absoluta ɛ 0,005 [mm]
Obtendo-se o valor de perda de carga (∆h) de 1,49 m, pode-se calcular a queda liquida Hl =
37,51m e, por meio da equação 6, um valor de potencia de 1,38kW. O rendimento adotado
foi de 75% devido a turbina escolhida já ter sido utilizada pelo proprietário da casa de
recuperação (vide seção 5.2.3 a descriçãoda escolha da turbina), produzindo uma energia
igual a 9460,8 kwh/ano (calculada a partir da equação 7).
5.2. Resultados dos componentes da microcentral hidrelétrica
5.2.1 Adução
Como citado anteriormente obteve-se o diâmetro da tubulação através da relação custo por
perda de carga, obtendo-se um diâmetro ótimo de 4’’. A verificação do golpe de aríete indicou
que não houve a presença de transitórios hidráulicos, pois o ξ calculado foi igual a 6,17,
inferior ao valor máximo de 13,65 desconsiderando o emprego de chaminé de equilíbrio. Já a
tomada d’água foi dimensionada utilizando a equação 15 usando um valor de carga de 0,5 m
(Tomada d’água ficaria 50 cm abaixo do NA da barragem) capturando uma vazão de 0,005
m³/s, o que resulta em um diâmetro de bocal D 0,05m, que pode ser considerado como sendo
2’’. Optou-se por construir a tomada como um bocal acoplado a barragem de sacos sem
grades, dado que o diâmetro da tubulação é pequeno. A partir deste bocal a água será
conduzida para a mangueira de PVC, responsável pela adução até a casa de força. Uma haste
de metal será adicionada junto ao conduto a fim de fixa-lo ao chão conforme a figura 35:
53
Figura 35: Haste de metal fixando o conduto ao terreno.
5.2.2 Canal de Fuga
Para o calculo do canal de fuga variou-se as dimensões do canal, definido como trapezoidal,
afim de atender a vazão mínima através da equação de Manning (equação 11), utilizando –se
um valor de n ( coeficiente de Manning) de 0,025 obtido em Porto (2006), característico de
canais escavados em terra, e uma declividade de 0,2 [m/m]obtido segundo analise do terreno
em CAD por meio dos dados do DGPS.Obteve-se por fim as seguintes dimensões para o
canal de fuga: (i) Altura de 5cm; (ii) Base menor de 7cm; (iii) Base maior de 16,8 cm e (iv)
Área da seção de 6cm2. A figura 36 apresenta as dimensões da seção necessária ao canal de
fuga.
54
Figura 36: Localização e dimensões do canal de fuga.
5.2.3 Turbina e Gerador
Optou-se pela restauração da turbina Pelton já presente no local (Figura 37). Esta possui
diâmetro de 0,4 [m] o que resulta, pela equação 12, em uma rotação de 600 rpm. Para o
calculo da rotação do gerador multiplicou-se por três a rotação da turbinadevido os geradores
comerciais funcionarem apenas em rotações mais elevadas, utilizando assim um multiplicador
de velocidades, obtendo-se um valor de 1800 rpm. O numero de polos do gerador foi então
calculado por meio da equação 14,sendo queno Brasil é utilizado uma freqüência de 60 Hz
para a rede elétrica, o que resultou então em um gerador com 4 polos.
Como pode se observar na figura 15, a turbina utilizada é compatível com o aproveitamento
local, dado que este possui Q = 5 [l/s] e H = 37 [m], (uma alta relação H/Q aproximadamente
igual a 7400) o que caracteriza um predomínio da queda com relação à vazão. Além disto,
segundo CECU (s/d), as turbinas Pelton estão aptas a operar em empreendimentos
microhidrelétricos, com vazões de 1 a 1000 [l/s] com quedas de 30 a 200 [m], faixa que
comporta os valores do presente trabalho.
55
Figura 37: Turbina Pelton da casa de recuperação estudada.
5.2.4 Barragem
Para o calculo eventual da barragem de concreto utilizou-se uma altura (H) de 2 metros,
eventualmente podendo dimensionar todas as suas dimensões seguindo a figura 30,
desconsiderou-se os cálculos de estabilidade devida à mesma ser inferior a 10m. Chegando ao
resultado segundo a figura 38:
56
Figura 38: Esquema da barragem de concreto.
Os resultados obtidos para a estabilidade da barragem estão apresentados abaixo:
• O primeiro passo foi calcular as forças resultantes dependentes do empuxo horizontal
(FH) obtendo um valor de 4500 kgf/m² a força de subpressão (FS) 1800 kgf/m² e as
forças devido ao peso do concreto iguais a G1 3750 kgf/m² e 1750 kfg/m² de G2.
• Após obtidas foi possível fazer os testes para tombamento, cisalhamento e
escorregamento , no qual foi reprovada apenas no teste de escorregamento sendo que o
coeficiente de escorregamento (0,75) deu menor que o somatório das forças (1,2),
sendo necessários ajustes para a correção do mesmo, já os outros dois testes foram
realizados com sucesso.
5.3. Resultados para o sistema fotovoltaico
Para o calculo do sistema fotovoltaico utilizou-se os dados da figura 39, que relaciona os
valores de maior mínimo mensal de irradiação de três cidades próximas (Campos de Jordão,
Lorena e Piquete) ao local de implantação. O valor de irradiação utilizado (I) foi obtido a
partir deuma média do três valores mínimos de cada cidade, a saber, 4,2 kWh/m².dia
57
Figura 39: Média mínima mensal de irradiação. Fonte: CRESESB (2012).
Com isso,pode calcular o valor de energia que 1 m² de painel possuía utilizando-se um PR de
80% segundo Bhandari et al.,(2014) e uma eficiência de 14% obtendo, assimpela equação
20um montante de energia 0,47 kwh/ dia.m².Pesquisou-se fornecedores de painel fotovoltaico
e obteve-se que para produção deste montante de energia é necessário uma potência de 140
Wp e uma área de 1m².Utilizou-se então, a média de energia consumida em cinco meses (449
kWh/ mês) (cedida pelo proprietário da Casa de Recuperação), segundo afigura 40, obtendo-
se um valor de 14,97 kwh/dia,a fim de se calcular a área de painéis necessária para o
suprimento da casa de recuperação, obtendo-se assim, um valor de 32 m² de área de painéis
fotovoltaicos.
Figura 40: Valores de energia consumida na casa de Recuperação Nova Jerusalém em 2015. Fonte: Cedido pelo Proprietário
4,25
3,8
4,55
0
1
2
3
4
5
6
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Irra
dia
ção
[k
Wh
/m²]
CJ
Lorena
PQ
0
100
200
300
400
500
600
Energia Consumida
(kWh)
58
5.4. Viabilidades econômicas
Para se analisar a viabilidade econômica de ambos os projetos foi necessário o cálculo do
custo de cada componente de ambos os sistemas. Os custos dos componentes da microcentral
foram obtidos separadamente em diversas fontes (Tabela 10). Já para o sistema fotovoltaico
completo considerou-se um custo de 8,73 [R$/Wp],custo completo de um sistema
fotovoltaico residencial, obtido em 2012 conforme sugerido por Abinee (2012) e corrigido
para 2015 por meio da calculadora do cidadão do Banco Central do Brasil. Ressalta-seque o
custo de manutenção e operação para o sistema fotovoltaico foi adotado como igual a 1% do
investimento inicial (Abinee, 2012), já a microcentral apresenta custos de operação e
manutenção em torno de2% do investimento inicial (U.S. Departmentof Energy, 2011).
Tabela 10: Custos dos equipamentos para a microcentral.
Equipamento Custo (R$) Fonte
Gerador 967,26 Queiroz1 (2010)
Gastos Civis 12000 Estimativa própria
Tubulação 13558 Rubberfast (2015)
Multiplicador de velocidade 339,57 Queiroz1 (2010)
Quadro de comando 209,853 Queiroz1 (2010) 1Custos obtidos em Queiroz 2010 e corrigidos para 2015 por meio da Calculadora do Cidadão do
Banco Central do Brasil
Por meio dos cenários descritos na metodologia, pode-se definir os fluxos de caixa nas figuras
41e 42:
Figura 41: Fluxo de caixa considerando a Resolução Normativa ANEEL nº 482/2012.
59
Figura 42: Fluxo de caixa para o segundo cenário onde o saldo energético é vendido.
Utilizando a equação 23 pode-se adquirir o valor de Payback de todos os cenários (Figura
43).Observa-se que o método do Payback indicou tempos de retornos positivos em todos os
casos, diferente dos parâmetros VPL e TIR que consideram a inflação. O cenário de melhor
resultado, onde o pagamento do empreendimento se dá é em 6anos, foi o cenário 2 da
microcentraHidrelétrica onde se propôs a melhoria da venda do saldo energético a Resolução
Normativa nº 482/2012 da ANEEL.
Figura 43: Resultado de Payback para: (a) MCH no cenário1. (b) MCH no cenário2. (c)
Sistema fotovoltaico no cenário1.(d) Sistema fotovoltaico no cenário 2.
60
Os resultados obtidos para o cálculo do VPL e TIR, seguindo a equação 21 e 22 e
considerando-se uma tarifa de 0,52 reais/kWh (Tarifa real local) e uma tarifa mínima de
venda de 0,26 reais/kWh, sãoapresentados na tabela11seguir. Os resultados obtidos por meio
do VPL e da TIR são mais confiáveis que os do método do Payback, dado que consideram a
variação de dinheiro no tempo gerido pela taxa de desconto anual. Esta foi adotada como
sendo igual aos juros da poupança (6% a.a), dado que se trata de um investimento pequeno
em uma propriedade rural.
.
Tabela 11: Valores finais obtidos Cenário Cenario1 Cenario2 Fonte/Parâmetro I (R$) TIR VPL (R$) I ( R$) TIR VPL (R$) Microcentral 27.074,68 2,87% -7.496,04 27.074,68 9% 8.234,23 Solar 39.110,40 2,91% -10.687,17 39.110,40 4% -8.390,49
Pela análise da tabela 11 observa-se que a consideração da possibilidade de venda do saldo
energético aumentou o VPl dos empreendimentos em 24%, 2000 reais no caso do painel
fotovoltaico onde o saldo energético era menor, e em mais de 100% no caso da microcentral,
fato que demonstra o quanto a restrição a comercialização do saldo energético imposta pela
resolução 482 limita a viabilidade do empreendimento, sobretudo, com o aumento da
produção energética.A implantação de painéis fotovoltaicos por sua vez não permitiu a
obtenção da viabilidade em nenhum dos cenários estudados, fato que demonstra que os altos
custos de implantação desta tecnologia ainda limitam o desenvolvimento desta forma de
geração no país.
61
6. Conclusões
O trabalho estudou a implantação e analise econômica de dois empreendimentos com a
intenção de suprir a energia consumida em uma casa de recuperação na zona rural da
cidade de Itajubá- MG. Os cálculos realizados permitiram a observação de que o painel
fotovoltaico além de produzir menos energia do que a microcentral hidrelétrica também
acarreta um investimento inicial muito maior.
Realizando-se os cálculos de viabilidade econômica perante os parâmetros VPL e TIR,
observou-se que de todos os cenários não apresentaram viabilidade apenas as
microcentrais hidrelétricas no segundo caso, o que implica que a resolução Normativa
Aneel 482 e um limitante para investimentos de projetos energéticos independentes.
Uma alteração resolução Normativa Aneel 482 foi proposta, na qual o microprodutor
pudesse comercializar seu saldo energético ao invés de mantê-lo estocado para uso
próprio. Neste cenário pode-se observar que houve um aumento significativos no valor do
VPL da uCH, o que demonstra a importância de alterações nesta norma que permitam a
ampliação da rentabilidade de projetos de microgeração no país, ainda incipientes.
62
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