ANÁLISE ECONÔMICA DAS ALTERNATIVAS DO SISTEMA DE … · que o gasto de energia elétrica com as operações de bombeamento, represente o item mais significativo no consumo de energia

VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de Água João Pessoa (Brasil), 5 a 7 de junho de 2006

ANÁLISE ECONÔMICA DAS ALTERNATIVAS DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO

DA CIDADE DO CONDE, PARAÍBA, BRASIL

Leonardo L. B. Montenegro1; Saulo de T. M. Bezerra2; Paulo S. O. de Carvalho3; Daniela da S. Santos4; João S. O. P. da Silva4 e Heber Pimentel Gomes5

Resumo - A adoção de medidas que visam economizar energia vem assumindo grande importância nos últimos anos, principalmente após o Plano Real, onde se iniciou um processo gradativo de mudança na tarifação de energia elétrica. Questões relativas ao déficit público e inflação passaram a ser tratadas no âmbito das políticas cambial, monetária e fiscal, fazendo com que a política de preços públicos transferisse aos consumidores os custos dos serviços prestados, com a pretensão de eliminar distorções entre os custos e as receitas. Com isto, muitos sistemas públicos de abastecimento estão adotando diversas medidas para diminuírem seus custos de energia, que geralmente, representam a segunda despesa das empresas de saneamento. Este trabalho apresenta uma análise econômica de três alternativas para o bombeamento do sistema de abastecimento de água da cidade do Conde no Estado da Paraíba, Brasil. Abstract - The adoption of measures to save energy has been assuming a great importance in the last years, mainly after the Real Plan in Brazil, where it was initiated a gradual process of change in tariffs of electric energy. Questions about public deficit and inflation had started to be treated in the scope of cambial, monetary and fiscal politics, making this system of public prices transfer to consumers the costs of the given services, with the pretension to eliminate distortions between the costs and prescriptions. Meanwhile, many public systems of supplying had been adopting diverse measures to diminish the costs of energy, wich generally, represents the second expenditure on sanitation companies. This work presents a economic analysis of three alternatives for the pumping engine system for water supply on Conde city, located in State of Paraíba, Brazil. Palavras-chave: Análise econômica, bombeamento, sistemas de abastecimento de água. Keywords: Economical analysis, pumping engine, system of water supply

1 Engenheiro da Companhia de Água e Esgoto da Paraíba (CAGEPA). Mestrando (aluno especial) do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Urbana da UFPB. E-mail: [email protected]. 2 Doutorando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento - Centro de Tecnologia - UFPB. E-mail: [email protected]. 3 Engenheiro Civil e Tecn. de Nível Superior em Processamento de Dados. Mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Urbana da UFPB. Fone: +5583-8821.7007. E-mail: [email protected]. 4 Bolsistas PIBIC/CNPq/UFPB. Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento - Centro de Tecnologia - UFPB. E-mail: [email protected] e [email protected]. 5 Professor da UFPB. João Pessoa, Brasil. [email protected]


INTRODUÇÃO A energia elétrica é necessária para tornar a água potável e movê-la através dos sistemas. Por isto, tão importante quanto as medidas de diminuição do consumo de água, são as ações operacionais no processo de melhoria dos sistemas de distribuição. Os gastos com energia elétrica representam valores significativos no orçamento das empresas de saneamento. No mundo, o setor de abastecimento de água, coleta e tratamento de esgotos caracteriza-se como grande consumidor de energia elétrica, segundo o relatório da ALLIANCE (JAMES et al., 2002) representa cerca de 7% do total de consumo de energia global. Nos Estados Unidos, o setor de água e esgoto consome por ano 75 bilhões de KWh, que é igual a 3% do consumo total americano ou o equivalente à energia utilizada pelos setores de papel e petróleo. Os gastos da energia de bombeamento, na grande maioria das vezes, ultrapassam, ao longo da vida útil dos projetos, os custos de investimento das instalações (GOMES, 2005). Segundo TSUTIYA (2004) mais de 90% dos gastos com energia elétrica devem-se às elevatórias dos sistemas de abastecimento público de água. No Brasil, as iniciativas são modestas, com a maior parte das empresas de saneamento tendo pouco, ou quase nenhum controle e/ou procedimento voltado para a diminuição dos custos de energia, pois este fato não foi considerado como um critério em tomadas de decisão técnica, isto é, no planejamento técnico e operacional das empresas (LEAL e BARBOSA, 2003). Na maioria dos projetos de concepção de sistemas de bombeamento, os técnicos ao especificarem os conjuntos motor-bomba analisam superficialmente a questão do consumo de quilowatts. Isso contribui para que o gasto de energia elétrica com as operações de bombeamento, represente o item mais significativo no consumo de energia para o orçamento de um sistema de abastecimento, uma vez que a energia elétrica é a segunda maior parcela de custo de uma empresa de saneamento. Este trabalho mostra o sistema atual de bombeamento do abastecimento de água da cidade do Conde - PB (Brasil) e uma análise econômica da implementação de dois novos projetos, visando a diminuição dos custos com energia elétrica. METODOLOGIA Os projetos de sistemas de bombeamento de água, em sua maioria, necessitam de análises que busquem a eficientização econômica dos recursos financeiros. No mundo, os técnicos vêm se detendo, predominantemente, na análise dos custos através da experiência de projetos anteriores. Neste trabalho, a análise econômica envolveu os custos fixos (investimentos) e os custos variáveis (operação e manutenção do sistema). Os custos de investimentos são aqueles realizados na fase de implantação do projeto, com a aquisição de novos equipamentos para as instalações hidráulicas (motores, bombas), enquanto os custos variáveis são os que incidem após o inicio do funcionamento, ou seja, no decorrer do alcance do projeto ou da vida útil dos equipamentos (energia, reparação nas tubulações e nas peças de controle, reposição de equipamentos, dentre outras).

Para a obtenção do custo total mínimo do sistema, se faz necessário converter, através de um artifício aritmético financeiro, os gastos variáveis em gastos fixos, ou vice-versa, permitindo a avaliação conjunta dos mesmos. Desta forma pode-se comparar as três situações e determinar aquela que apresenta o menor custo total (investimento mais operação e manutenção). Existem três formas clássicas de se analisar o custo total de um projeto (considerando-se os custos fixos e variáveis), o valor presente do projeto, o valor futuro (montante) do projeto ao término do


alcance e anuidades. Neste estudo de caso, será empregada a análise econômica através do valor presente. Segundo (TSUTIYA, 2004) e (GOMES, 2005), as despesas de operação nos projetos com sistemas de bombeamento são de maneira predominante, relativas aos gastos de energia elétrica das estações elevatórias, podendo ser desprezado as demais. O custo anual do consumo de energia elétrica da estação de bombeamento dos sistemas de distribuição de água é estimado pela Equação (1).

Cenergia = P x Tc x nb (1) onde:

Ce - custo anual total da energia elétrica, em R$/ano; P - potência requerida do motor elétrico, em kW; Tc - preço da tarifa relativa ao consumo de energia elétrica, em R$/kWh; e nb - número de horas de bombeamento anual, em horas/ano.

P = 9,81 η

HQ × (2)

onde: Q - vazão, em m3/s; H - altura manométrica, em m; e η - rendimento esperado do conjunto motor-bomba, valor decimal.

O custo da demanda de energia elétrica dos motores é estimado por:

Denergia = Pd x Td x 12 (3) onde:

Pd - Demanda contratada em kWh; Denergia - custo anual com demanda de energia elétrica, em R$/ano; Td - preço da tarifa relativa à demanda de energia elétrica, em R$/kWh.mês; e 12 - número de meses do ano.

Análise Econômica dos Custos do Projeto através do Valor Presente Na análise econômica através do valor presente ou atual, considera-se que as despesas com investimento são fixas e atuais, e a partir de então, as despesas variáveis com a operação da estação de bombeamento (custos anuais) são convertidas para valores presentes, através das equações aritmético-financeiras que levam em conta a taxa de juros, o aumento da energia elétrica e a duração da vida útil esperada. A Fig. 1 mostra o diagrama do fluxo de caixa dos custos anuais ao longo da vida útil do projeto, considerando que as despesas com a operação ocorrerão após a realização das despesas com investimento.


Figura 1. Custos fixos e custos variáveis ao longo do tempo t

Considera-se que as despesas fixas com investimento (I) são realizadas na data t = 0, e a partir daí começam a ser realizadas as despesas anuais com a energia de bombeamento, que incidem no final do ano correspondente. Os valores dos custos energéticos devem ser convertidos em valores presentes relativos à data t = 0. Tem-se assim o seguinte diagrama de fluxo (Fig. 2):

Figura 2. Custo de investimento e valores presentes dos custos variáveis

Os custos anuais de operação da estação de bombeamento (Cet) para o tempo variando de 1 a t, considerando o aumento da tarifa de energia elétrica segundo uma taxa “e” são:

Cet = Ce (5)

O valor presente (Ce’t), t= 0, para cada ano, considerando uma taxa de juros anual “i” é:

Ce’t = tt

iCe

)1( + = t

)1t(

1 )i1()e1(Ce

++ −

(6)

O valor presente do custo energético total de operação da estação de bombeamento (CE) do projeto será, para o alcance do projeto (t = n), tem-se:

CE = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

×+−++−+

× n

nn

1 )i1(1

)e1()i1()e1()i1(Ce (7)

Na Eq. (7) a expressão em colchetes será o fator de atualização (Fa), para o alcance do projeto (“n” anos), também chamado de fator de valor presente, que efetua a conversão de uma série de custos anuais para um valor presente, sujeita a uma taxa de juros “i” e de aumento de energia “e”, para “i” diferente de “e”. Portanto, o custo energético atualizado será:

CE = Ce1 x Fa (8)


“A estimativa dos valores da taxa de juros anual (i), da taxa de aumento anual do custo da energia (e) e do tempo de alcance do projeto, estará sempre sujeita a um determinado grau de incerteza. As taxas de juros e de aumento da energia elétrica dependem de fatores econômicos, financeiros e também políticos. A estimativa, mais ou menos precisa, dos valores de “i”, “e” e “n”, dependerá muito da experiência do projetista, embora, na maioria dos sistemas de abastecimento, que são financiados por bancos de desenvolvimento ou entidades de fomento, os valores das taxas de juros, de aumento da energia elétrica e do alcance do projeto sejam de antemão estabelecidas pelos órgãos financiadores” (GOMES, 2004, p.63).

Na análise econômica de projetos de saneamento, alguns cálculos não consideram a taxa do aumento da energia “e”, como uma forma de induzir uma estabilidade financeira na gestão dos projetos. Neste caso, o fator de atualização do custo energético será dado pela Eq. 9:

n

n

)i1(i1)i1(Fa

+−+

= (9)

RESULTADOS O sistema estudado é responsável pelo abastecimento de água da cidade do Conde, PB, Brasil (Fig. 3). É gerenciado pela Companhia de Água e Esgotos da Paraíba – CAGEPA e foi implantado na década de 60, sendo posteriormente ampliado na década de 80. O sistema de distribuição de água é formado por:

∗ Captação: a formação hidrogeologica da região apresenta boa potencialidade para

obtenção de água em qualidade e quantidade capaz de abastecer a cidade. Até algum tempo atrás a captação era feita através de uma bateria de cinco poços tubulares, porem, com o aumento do consumo de água da cidade do Conde foi necessária a construção de um novo poço para atender a demanda atual, que corresponde ao total de 120 m3/h.

∗ Poços: atualmente são seis poços equipados com conjuntos motor-bomba submersa. Os

dados estão descritos na Tabela 1.

Tabela 1. Dados dos conjuntos motor-bomba Q η Hman Potência Motor-bomba m3/h (decimal) (m) cv

P1 20 0,65 20 2 P2 20 0,65 20 2 P3 20 0,65 20 2 P4 20 0,65 20 2 P5 20 0,50 20 3 Poço construído 20 0,75 20 2


Figura 3. Esquema do sistema de abastecimento de água da cidade do Conde, PB, Brasil

∗ Reservatório apoiado: com capacidade de 27 m3.

∗ Estação elevatória de água: equipada com dois conjuntos motor-bomba tipo centrifuga

de eixo horizontal com potencia de 70 CV para uma altura manométrica de 115 mca e vazão de 120 m3/h.

∗ Adutora: a adutora é formada por tubulações de ferro fundido (FoFo) e tem um

comprimento de aproximadamente 1,5 Km, com diâmetro de 200 mm.

∗ Reservatório elevado: possui 20 metros de altura com capacidade de 300 m3, ver Figura 4.


Figura 4. Reservatório elevado do sistema de distribuição da cidade do Conde, PB, Brasil

Com a real necessidade de aumento da vazão aduzida, foi projetado e construído um novo poço (Fig. 5), cuja vazão é suficiente para atender toda a demanda de abastecimento de água da cidade do Conde. Com a construção do novo poço, cogita-se a eliminação da estação elevatória, de maneira que a adução seja direta para o reservatório elevado. A seguir são apresentadas as propostas, com seus respectivos dados. O preço da tarifa de energia elétrica é 0,1825 R$/kWh. A demanda contratada é 85 kWh, cujo preço é R$ 33,41 por kWh, que não mudará em função da alteração do sistema de bombeamento.


Figura 5. Poço construído

PRIMEIRA ALTERNATIVA Manter a situação atual com os poços elevando a água até o poço de sucção da elevatória (reservatório apoiado), com a estação elevatória (bombas centrífuga de eixo horizontal) bombeando até o reservatório elevado. Atualmente, tem-se um custo de manutenção anual de R$ 10.000,00. Custo da energia elétrica para o primeiro ano Bombas P1, P2, P3 e P4:

Dados: Vazão bombeada: 20 m3/h (5,56 l/s); Potência do motor elétrico, P = 2 CV ( P = 1,68 kW); Rendimento do conjunto motor-bomba, η = 0,65; e Número de horas de bombeamento anual, nb = 7300 horas/ano. Cenergia = 4 * (P x Tc x nb) Cenergia = 4 * (1,68 x 0,1825 x 7300) Cenergia = 4 * 2.234,08 Cenergia = R$ 8.936,32

Bomba P5:

Dados: Vazão bombeada: 20 m3/h (5,56 l/s); Potência do motor elétrico, P = 3 CV ( P = 2,18 kW); Rendimento do conjunto motor-bomba, η = 0,50; e Número de horas de bombeamento anual, nb = 7300 horas/ano.


Cenergia = P x Tc x nb Cenergia = 2,18 x 0,1825 x 7300 Cenergia = R$ 2.904,31

Bomba Poço Construído

Dados: Vazão bombeada: 20 m3/h (5,56 l/s); Potência do motor elétrico, P = 2 CV (P = 1,68 kW); Rendimento do conjunto motor-bomba, η = 0,75; e Número de horas de bombeamento anual, nb = 7300 horas/ano. Cenergia = P x Tc x nb Cenergia = 1,68 x 0,1825 x 7300 Cenergia = R$ 1.936,20

Motor Bomba Centrifuga

Potência do motor elétrico, P = 68 CV (P = 50,14 kW); Rendimento do conjunto motor-bomba, η = 0,75; e Número de horas de bombeamento anual, nb = 7300 horas/ano.

Cenergia = P x Tc x nb Cenergia = 50,14 x 0,1825 x 7300 Cenergia = R$ 66.799,02

Cenergia total = 8.952,72 + 2.904,31 + 1.936,20 + 66.799,02 Cenergia total = R$ 80.575,85

Demanda Contratada

Denergia = 85 x 33,41 x 12 Denergia = R$ 34.078,20

Custo de Operação

Custo de Operação = 80.575,85 + 34.078,20 Custo de Operação = R$ 114.654,05

Para uma taxa de juros anual de 10%, uma taxa de aumento de energia de 5% e um alcance de projeto de 10 anos, o valor do coeficiente de amortização para a energia será de 7,44, enquanto para a manutenção é 6,14. O custo total do projeto para o valor presente é:

∗ Custo de Implantação: 0 ∗ Custo de Manutenção: R$ 10.000,00 (anual)

∗ Custo de Operação: R$ 114.654,05

Custo TOTAL atualizado = 0 + 114.654,05 x 7,44 + 10.000,00 x 6,14


∗ Custo TOTAL atualizado = R$ 914.450,24

SEGUNDA ALTERNATIVA Eliminação da estação elevatória, de maneira que o poço construído tenha sua adução direta para o reservatório elevado. O conjunto motor-bomba seria responsável pela altura manométrica de 130 mca, e a vazão de 120 m3/h. Custo da energia elétrica para o primeiro ano Bomba Poço Construído


Demanda Contratada


Custo de Operação

Custo de Operação = 80. 905,64 + 34.078,20 Custo de Operação = R$ 114.983,84

Para uma taxa de juros anual de 10%, uma taxa de aumento de energia de 5% e um alcance de projeto de 10 anos, o valor do coeficiente de amortização será de 7,44. O custo total do projeto para o valor presente é:

∗ Custo de Implantação: R$ 30.000,00 (conjunto motor bomba instalado) ∗ Custo de Manutenção: R$ 1.500,00 (anual)


Custo TOTAL atualizado = 30.000,00 + 114.983,84 x 7,44 + 1.500,00 x 6,14



TERCEIRA ALTERNATIVA Bombear toda vazão necessária do poço construído até o poço de sucção da elevatória (reservatório apoiado), com a estação elevatória bombeando até o reservatório elevado. Custo da energia elétrica para o primeiro ano Bomba Poço Construído


Motor Bomba Centrifuga

Potência do motor elétrico, P = 68 CV (P = 50,14 kW); Rendimento do conjunto motor-bomba, η = 0,75; e Número de horas de bombeamento anual, nb = 7300 horas/ano;

Cenergia = P x Tc x nb Cenergia = 50,14 x 0,1825 x 7300 Cenergia = R$ 66.799,02 Cenergia total = 11.617,22 + 66.799,02 Cenergia total = R$ 78.416,24

Demanda Contratada


Custo de Operação

Custo de Operação = 78.416,24 + 34.078,20 Custo de Operação = R$ 112.494,44

Para uma taxa de juros anual de 10%, uma taxa de aumento de energia de 5% e um alcance de projeto de 10 anos, o valor do coeficiente de amortização para a energia será de 7,44, enquanto para a manutenção é 6,14. O custo total do projeto para o valor presente é:

∗ Custo de Implantação: 9.800,00 (conjunto motor bomba instalado) ∗ Custo de Manutenção: R$ 1.000,00 (anual)



Custo TOTAL atualizado = 9.800,00 + 112.494,44 x 7,44 + 1.000,00 x 6,14


Como já era previsto, devido ao requerimento de uma menor potência, em decorrência de um rendimento melhor, o sistema de bombeamento toda vazão do poço novo e com a estação elevatória é o que se apresenta como sendo a melhor solução. A Tabela 2 apresenta o resultado da análise econômica.

Tabela 2. Resultados da análise econômica de três alternativas para o sistema do Conde.

Custos (R$) Tipo de Despesa 1ª Alternativa 2ª Alternativa 3ª Alternativa Implantação 0 30.000,00 9.800,00 Manutenção 10.000,00 1.500,00 1.000,00 Operação 114.654,05 114.983,84 112.494,44 Custo TOTAL atualizado 914.450,24 894.675,02 852.882,03 CONCLUSÃO Observando os resultados, constatamos a importância do rendimento dos conjuntos motor bomba para a economia de energia nos sistemas de abastecimento de água.

Depois de estudadas todas as opções, obseva-se que a desativação dos poços antigos acompanhada da instalação de um novo conjunto motor bomba (capaz de fornecer a demanda total) no poço construído, para elevar a água até o poço de sucção da estação elevatória (reservatório apoiado) é a melhor solução, apresentando um custo de aproximadamente 7% inferior à situação atual. BIBLIOGRAFIA GOMES, H.P. Eficiência Hidráulica e Energética em Saneamento: Análise Econômica de Projetos. Rio de Janeiro: ABES, 114p. 2005. GOMES, H.P. Sistema de abastecimento de água: dimensionamento econômico e operação de redes e elevatórias. 242 p. Editora Universitária da UFPB, João Pessoa, 2004. JAMES, K. et al. Água e Energia - Aproveitando as oportunidades de eficientização de água e energia não exploradas nos sistemas municipais. Aliança para Conservação de Energia. 159p. 2002. LEAL, L.A.; BARBOSA, P.S.F. Programas de eficientização energética em sistemas de abastecimento de água. In: XII SNPTEE - Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica. Uberlândia, 2003. TSUTYIA, M.T. Abastecimento de Água. Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo, 2004. 634 p.

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