Renan Mesquita Santos

Eficincia Energtica no Servio Auxiliar de uma Pequena Central Hidreltrica

Trabalho de Concluso de Curso apresentado Escola de Engenharia de So Carlos, da Universidade de So Paulo

Curso de Engenharia Eltrica com nfase em Sistemas de Energia e Automao

ORIENTADOR: Dr. Frederico Fbio Mauad

So Carlos 2010

AUTORIZO A REPRODUO E DIVULGAO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ficha catalogrfica preparada pela Seo de Tratamento da Informao do Servio de Biblioteca EESC/USP

S237e

Santos, Renan Mesquita Eficincia energtica no servio auxiliar de uma pequena central hidreltrica / Renan Mesquita Santos ; orientador Frederico Fbio Mauad. - So Carlos, 2010.

Trabalho de Concluso de Curso (Graduao em Engenharia Eltrica com nfase em Sistema de Energia e Automao) -- Escola de Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo, 2010.

1. Pequenas centrais hidreltricas. 2. Servio auxiliar. 3. Eficincia energtica. 4. Impacto ambiental. 5. Dimensionamento. 6. Avaliao de desempenho. I. Ttulo.

Sumrio

Resumo .......................................................................................................................................1 Abstract.......................................................................................................................................2 1 Introduo...........................................................................................................................3 2 Pequenas Centrais Hidreltricas PCHs ..........................................................................6 2.1 Definio ....................................................................................................................6 2.2 Potencial Hidrulico ...................................................................................................7 2.3 Componentes ..............................................................................................................9 2.3.1 Tipos de turbinas ..............................................................................................10 2.4 Classificao.............................................................................................................14 2.4.1 Quanto capacidade de regulao....................................................................14 2.4.2 Quanto ao sistema de aduo ...........................................................................15 2.4.3 Quanto a potencia e a altura da queda ..............................................................16 3 Servio Auxiliar em PCHs ..............................................................................................18 3.1 Sistema de servio auxiliar de corrente alternada ....................................................19 3.1.1 Mquinas auxiliares de corrente alternada .......................................................19 3.2 Sistema de servio auxiliar eltrico de corrente contnua ........................................22 4 Eficincia energtica.........................................................................................................23 4.1 Eficincia energtica no sistema de iluminao .......................................................24 4.1.1 Grandezas envolvidas .......................................................................................24 4.1.2 Tipos de lmpadas ............................................................................................25 4.1.3 Clculo luminotcnico......................................................................................27 4.2 Eficincia energtica em motores eltricos ..............................................................31 4.2.1 Grandezas Variveis em um Motor de Induo ...............................................32 4.2.2 Perdas ...............................................................................................................33 4.2.3 Rendimento.......................................................................................................35 4.2.4 Dimensionamento de motores ..........................................................................36 4.2.4.1 Mtodo da Linearizao ...............................................................................37 4.2.4.2 Partida...........................................................................................................39 4.2.4.3 Analise Trmica............................................................................................42 4.2.5 Conversores de freqncia................................................................................43 4.2.6 Fator de Potncia ..............................................................................................45 4.2.6.1 Correo do fator de potencia.......................................................................45 4.3 Eficincia energtica em transformadores................................................................46 4.3.1 Perdas em Transformadores .............................................................................47 4.3.2 Rendimento.......................................................................................................50 4.3.2.1 Perdas no Cobre............................................................................................52 4.3.2.2 Perdas no Ncleo ..........................................................................................52 4.3.2.3 Potncia de Sada..........................................................................................52 4.3.3 Fator de Potncia ..............................................................................................55 4.3.4 Harmnicos.......................................................................................................55 4.4 Eficincia energtica em refrigerao ......................................................................56 4.4.1 Princpio Bsico................................................................................................56 4.4.2 Agentes refrigerantes ou simplesmente Refrigerantes .....................................57 4.4.3 Definies.........................................................................................................57 4.4.4 Primeira Lei da Termodinmica (Lei da Conservao da Energia) .................58

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4.4.5 Segunda Lei da Termodinmica .......................................................................59 4.4.6 Ciclo de Refrigerao por Compresso ............................................................59 4.4.6.1 Grandezas envolvidas no ciclo de refrigerao ............................................60 4.4.6.2 Perdas no ciclo termodinmico.....................................................................61 4.4.7 Parmetros que Influenciam o COP .................................................................61 4.4.8 Sistemas de Ar Condicionado...........................................................................64 4.4.8.1 Aparelhos de ar condicionado tipo janela.....................................................64 4.4.8.2 Sistema Split.................................................................................................65 4.4.9 Reduo do Consumo de Energia Eltrica .......................................................65 4.4.9.1 Ajustes do Controle do Ar Externo ..............................................................65 4.4.9.2 Iluminao ....................................................................................................66 4.4.9.3 Limpeza de Filtros, Condensador e Evaporador ..........................................66 4.4.9.4 Nvel inadequado da temperatura .................................................................66 4.4.9.5 Incidncia direta dos raios solares e/ou isolamento ineficiente....................67 Concluso .........................................................................................................................68 Bibliografia.......................................................................................................................70

Resumo

Devido estreita relao entre produo energtica e crescimento econmico, o governo tem, cada vez mais, investido em gerao de energia. Porm, os grupos de defesa ecolgica cobram que as solues em busca do crescimento no agridam, ou limitem ao mnimo possvel as agresses ao meio ambiente. Dessa forma a soluo tem sido o investimento crescente em solues de baixo custo ambiental. As pequenas centrais hidreltricas se multiplicam em virtude de serem de rpida construo e no necessitarem de uma rea to grande em comparao a uma hidreltrica convencional. Alm de possurem a vantagem de uma gerao mais prxima as localidades que esto fora dos grandes eixos de gerao. Mas no basta uma grande quantidade de fontes de gerao, preciso assegurar uma gerao eficiente, na qual deve haver o melhor aproveitamento possvel da energia gerada, no apenas visando uma economia ambiental, mas tambm uma economia financeira. Sero abordadas tcnicas de avaliao de desempenho e correto dimensionamento dos equipamentos mais utilizados no servio auxiliar de uma PCH, como o sistema de iluminao, o sistema de transformadores, o sistema de motores e o sistema de refrigerao a fim de explicitar a facilidade de aplicao das mesmas e o alto custo benefcio de sua utilizao, no apenas no projeto, mas sim continuamente por uma pequena central hidreltrica.

Palavras chaves: Pequenas Centrais Hidreltricas, Servio Auxiliar, Eficincia Energtica, Impacto Ambiental, Dimensionamento, Avaliao de Desempenho.

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Abstract

Due to the close relationship between energy production and economic development, the government has increasingly invested in power generation. But environmental protection groups make pressure that the solutions in search of development do not harm the environment or limit to the minimum possible the harm of the environment. The solution has been increasing investment in low-cost environmental solutions. Small hydropower plants are multiplying because they are quick to build and do not require such a large area compared to a conventional hydropower plant. Apart from that they have the advantage of been capable of provide a generation closer to the locations that are outside of the major axes of generation. But not just a lot of generation sources are needed, it is necessary to ensure an efficient generation, which should include the best use of energy generated, not only seeking an environmental saving, but also a financial saving. Techniques for evaluation of performance and proper sizing of equipment commonly used in an ancillary service of PCH will be enumerate and describe, as the lighting system, the engine system, the transformer system and the cooling system in order to explain the simplicity of application and the high cost benefit of using it, not just in the design, but continuously in a small hydroelectric plant.

Keywords: Small Hydro Power, Ancillary Services, Energy Efficiency, Environmental Impact, Design, Performance Evaluation.

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1 Introduo

No Brasil, devido ao grande potencial hdrico existente no territrio nacional, 67,21 % da energia eltrica produzida provm de usinas hidreltricas (www.aneel.gov.br). Nesse tipo de usina, realizada a transformao da energia potencial da gua represada em energia cintica, girando ps de turbinas, produzindo energia eltrica a partir do acionamento do eixo de um gerador. Devido ao elevado tempo para implantao, associado aos elevados custos de uma grande hidreltrica adota-se como alternativa o emprego de pequenas centrais hidreltricas (PCHs), que no Brasil, so aquelas cuja potncia instalada no ultrapassa 30 MW e o seu lago tem uma rea mxima de 3 km (Resoluo n 652/2003 ANEEL). As caractersticas desse tipo de gerao de eletricidade atende de maneira especial aos consumidores do meio rural, que esto fora dos grandes eixos de gerao do pas sendo, portanto, eles favorecidos pela implantao descentralizada de novas unidades geradoras, em forma de PCHs. O Governo Federal, com interesse em viabilizar o acesso a energia eltrica a todas as pessoas, oferece incentivos fiscais explorao do mercado de pequenas centrais hidreltricas por grupos empresariais privados. O REIDI - Regime Especial de Incentivos para o Desenvolvimento da Infraestrutura, institudo pela Lei 11.488/2007, por exemplo, um dos programas que facilita a implantao de PCHs, pois reduz os prazos mnimos para utilizao dos crditos de contribuies e amplia o prazo para pagamento de impostos e contribuies para pessoa jurdica que tenha projeto aprovado para implantao de obras de infraestruturas nos setores de transportes, portos, energia, saneamento bsico e irrigao, tornando o investimento em gerao de energia mais atrativo (www.receita.fazenda.gov.br). Alm do custo financeiro, deve-se levar em conta o custo ambiental. Com investidores e rgos ambientais entrando em conflito a cada novo projeto de gerao de energia, vemos que os custos ambientais tornam-se a cada dia um desafio maior (PANESI 2006). Porm, com a importncia crescente da energia para o bem estar da populao e para a continuidade das atividades econmicas, vemos a formao de um cenrio onde a eficincia e a sustentabilidade da gerao so to importantes quanto gerao por si s. O conceito de desenvolvimento sustentvel iniciou na Conferncia de Estocolmo (United Nations Conference on the Human Environment), realizada em 1972. O paradigma anterior a esse evento era o de limites ao crescimento, postura que culminou com a crescente escassez de recursos, o acmulo de poluio de diversas fontes e com limitao da expanso da economia mundial. O que nos trouxe ao paradigma atual que enfatiza o

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impacto negativo das atividades humanas no meio ambiente em escala global. O conceito de desenvolvimento sustentvel surge de maneira crucial para que inmeros avanos fossem introduzidos no repensar sobre um dos segmentos mais dinmicos e estratgicos da economia: o setor energtico. A dependncia da sociedade contempornea por energia um fato realstico e preocupante ao mesmo tempo (PANESI 2006). A energia eltrica est diretamente associada melhor qualidade de vida da populao, assim como sua gerao est diretamente ligada degradao ambiental. neste cenrio que o conceito de eficincia energtica assume especial relevncia. A reduo da energia gasta para realizar um mesmo servio, faz diminuir o consumo energia primria necessria para produzir um determinado servio. Eficincia energtica e meio ambiente so dois aspectos que esto totalmente associados, ou seja, podemos preservar nosso habitat atravs de medidas de preservao e combate aos desperdcios de energia, reduzindo os impactos ambientais advindos da oferta de energia. Uma gesto energtica tem como objetivo principal o uso racional dos recursos naturais, adotando o princpio do desenvolvimento sustentvel (PANESI 2006). A sustentabilidade se inicia logo na fase de projeto, onde atravs de melhores tcnicas visa-se a reduo de gastos futuros durante a produo. O sistema eltrico a ser previsto deve ser capaz de uma gerao eficiente de energia. na fase do projeto bsico que definido o nmero de unidades geradoras e os diagramas unifilares da usina, bem como o sistema de servios auxiliares eltricos (MIRANDA, 2009). Neste momento, importante entender que a confiabilidade dos servios auxiliares no determinada exclusivamente com redundncias de fontes e equipamentos, mas depende tambm com a qualidade dos componentes e equipamentos empregados. A configurao do sistema de servios auxiliares eltricos depende da natureza de cada empreendimento e devem considerar aspectos tcnicos, facilidades de operao e manuteno, de segurana pessoal e da instalao. Portanto, a filosofia adotada causar efeito sobre o custo global, o desempenho e a sua vida til. Este trabalho de concluso de curso avalia as possibilidades de aplicao dos conceitos de eficincia energtica nos servios auxiliares de pequenas centrais hidreltricas e prope alternativas para a reduo dos custos de energia na operao de PCH, de forma a conseguir ganhos nos lucros atravs de uma reduo na energia necessria para o funcionamento de uma PCH, atravs da aplicao das tcnicas de eficincia energtica nos sistemas de iluminao, motores, transformadores e de refrigerao de uma pequena central hidreltrica. O desenvolvimento deste trabalho compe-se de trs captulos: o captulo 2 apresenta uma descrio legal de Pequenas Centrais Hidreltricas - PCH, as principais

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turbinas utilizadas e suas diversas classificaes; no captulo 3 ser feita uma descrio dos servios auxiliares de uma PCH; e no captulo 4 sero analisadas as possibilidades de eficincia energtica nos sistemas de iluminao, motores, transformadores e refrigerao. Na concluso encerraremos analisando os ganhos decorrentes da aplicao das tcnicas de eficincia energtica nos servios auxiliares das PCH.

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2 Pequenas Centrais Hidreltricas PCHs

2.1 Definio

Ao longo da histria, muitas formas de aplicao do uso da energia eltrica foram desenvolvidas para melhorar a qualidade de vida das civilizaes (MIRANDA, 2009). H muito que a fora das guas foi percebida pelos homens como a energia potencial capaz de gerar energia eltrica. H registros de esquemas que datam de 2.500 aC. Porm, somente em 1751, Euler desenvolveu a equao da turbina, em que descreve a correlao entre o fluxo de gua e a performance da turbina, que ainda hoje a base tcnica da tecnologia hidreltrica. A energia hidrulica, oriunda da fora da gua, se apia em dois fatores bsicos: a altura da queda da gua e o volume de gua disponvel.

Energia = queda x volume

Com esta forma simples de mostrar a produo de energia, tambm possvel iniciar o complexo processo de aproveitamento da energia disponvel. Para garantir um volume de gua que permita uma produo constante de energia tanto na estao de chuvas como na estao da seca, assim como para produzir quedas dgua maiores, foram construdos os reservatrios de gua para fins energticos, dando origem s centrais hidreltricas. As hidreltricas podem ser usinas de regularizao, quando suas barragens so concebidas para armazenar gua para cobrir a gerao de energia durante o perodo de seca, essas barragens so projetadas com grandes reservatrios. Outras so chamadas de usinas a fio dgua, ou seja, no possuem reservatrios e produzem energia a partir do fluxo da gua que chega barragem. A Agncia Nacional de Energia Eltrica ANEEL, estabelece, atravs da Resoluo n 652/2003, a diviso entre pequenas e grandes centrais hidreltricas, sendo que, entre 1.000 kW e 30.000 kW de potncia instalada, destinada produo independente, autoproduo ou produo autnoma, e reservatrio com rea igual ou inferior a 3 Km, considera-se como Pequena Central Hidreltrica - PCH. O aproveitamento hidreltrico que no atender condio para a rea do reservatrio inferior a 3 Km, respeitando os limites de potncia e modalidade de explorao,

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ser considerado PCH, caso se verifique pelo menos uma das seguintes condies e atendida a seguinte inequao: A