A Utilização de Bombas Funcionando como Turbinas (BFTs) em Pequenos Aproveitamentos Hidráulicos

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1 SEMINÁRIO DE GESTÃO DO USO DE ENERGIA ELÉTRICA NO SANEAMENTO (ELETROBRÁS, 25 a 26 de Março de 2013) A Utilização de Bombas Funcionando como Turbinas (BFTs) em Pequenos Aproveitamentos Hidráulicos Prof. Augusto Nelson Carvalho Viana augustonelsonviana@yahoo.com.br Universidade Federal de Itajubá UNIFEI Instituto de Recursos Naturais IRN Engenharias Hídrica e Ambiental Grupo de Energia

2 Geração Hidrelétrica Brasileira (Fonte ANEEL - 18/03/2013) CGH 0,28% PCH 5,08% CGH PCH UHE UHE 94,63% CGH (Central de Geração Hidrelétrica) P 1000kW(0,240GW) PCH (Pequena Central Hidrelétrica) 1000kW P 30000kW(4,3GW) UHE (Grande Central Hidrelétrica) P 30000kW(80,0GW) Total 84,540GW

3 As CGHs (Fonte ANEEL 18/03/2013) 0,240 GW kw 1% kw 2% kw 14% kw 83% kw kw kw kw

4 O Brasil não tem problemas em relação as tecnologias de componentes hidromecânicos e eletromecânicos e muito menos na questão da obra civil para centrais hidrelétricas (tradição) Componentes Hidromecânicos Tubulações e seus acessórios (válvulas, curvas, tês, etc.); Grades e limpa grades, comportas; Turbinas hidráulicas convencionais e seus reguladores de velocidades. Componentes Eletromecânicos Reguladores de tensão e corrente; Transfromadores; Geradores; Instrumentação e automação UHEs e PCHs

5 Onde localizam-se esses fabricantes (porte maior)? Localizam-se na região Sul e Sudeste do país. E os pequenos? P < 500kW Betta Hidroturbinas (Turbinas Pelton, Michell-Banki, Turbo-bomba) (Franca-SP); Alterima (Turbinas Pelton e Geradores, Rodas d água (Manhuaçu-MG); Indalma (Algo parecido com a turbina Francis) (Santarém-PA)

6 Equipamentos Hidro e Eletromecânicos (35% a 40%) Planejamento e Projeto (15% a 20%) Potências 1[MW] Obras Civis (40% a 50%) Os grupos geradores convencionais, formados por uma turbina acoplada a um gerador síncrono, atualmente usados nas CGHs, componentes que mais contribuem para a elevação dos custos de implantação desse tipo de usina.

7 São máquinas de fluxo (escoamento contínuo) motoras (acionadoras) e transformam energia do tipo: E pressão E cinética E mecânica Exemplos: Turbinas hidráulicas (Pelton, Francis e Axiais Turbinas Pelton (altas quedas e baixa vazão) 01 jato 02 jatos

8 Turbinas Francis (médias quedas e médias vazões) Turbinas Axiais (baixas quedas e altas vazões) Pás fixas Pás móveis

9 Turbinas Michell (Húngaro-1919)-Banki (Australiano-1903) Pá do distribuidor Gerador Rotor Canal de fuga Modelo Ossberger (Alemão) Modelo Brasileiro (Tiago-1987) UNIFEI

10 Bombas Funcionado como Turbinas BFTs (Viana 1987) UNIFEI Descarga Sucção Descarga Entrada Entrada Saída Rotor Rotor Caixa Espiral Bomba Funcionando com Bomba Caixa Espiral Bomba Funcionando com Turbina

11 Centrífugo ou radial (pequena vazão e alta pressão) Misto ou diagonal (média vazão e média pressão) Axial (alta vazão e baixa pressão) São máquinas de fluxo (escoamento contínuo) geradoras (acionadas) e transformam energia do tipo: E mecânica E cinética E pressão Exemplos: Bombas Centrífugas, Mistas e Axiais

12 Saída Bomba centrífuga de 01 estágio, simples entrada, mancalizada Entrada Saída Bomba centrífuga de dupla entrada (rotor gêmeo) e dois mancais Entrada Bomba centrífuga de 01 estágio, simples entrada, sem mancal (monobloco)

13 Entrada Saída Entrada Bomba centrífuga de 04 estágios, simples entrada, dois mancais e eixo horizontal Bomba centrífuga de 01 estágio, simples entrada e eixo vertical prolongado Saída

14 Bomba Funcionando como Bomba Bomba Funcionando como Turbina PAT Pump as Turbine

15 Rotor de uma bomba centrífuga girando no sentido anti-horário (correto)

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17 ALTURA, POTÊNCIA DE EIXO, RENDIMENTO H t H t H b P t H b b P et t P eb b Q b Q t VAZÃO Q b ; H t Q t H b ; P et P eb Q H b b k k q a.q.h t t

18 Determinação dos Coeficientes Experimentais: k q e k a k k q a [1] [1] coeficiente coeficiente de correção da vazão k de correção da altura k q a Q Q Autores como Viana [1987] e Chapallaz [1992] desenvolveram métodos experimentais de seleção da bomba para operar em reverso como turbina, a partir dos dados de vazão Q t e H t do aproveitamento. Editora ACTA O Livro de 2012 aborda: Conceitos e Definições das Bombas de Fluxo; H b t b Ht Turbinas Hidráulicas Convencionais e Não Convencionais de Pequeno Porte; Bombas Funcionando como Turbinas Hidráulicas; Geradores de Indução; Estudo de Caso.

19 Vantagens das BFT s relação as turbinas convencionais: custo extremamente reduzido; facilidade de obtenção de peças para reposição; facilidade e rapidez de aquisição (são produzidas em grande escala pela indústria nacional, sendo amplamente utilizadas nas áreas de saneamento, industrial e irrigação); Equipamento robusto.

20 A alternativa aos grupos geradores convencionais é a utilização de Bombas Funcionando como Turbinas (BFT s) e Motores de Indução Operando como Gerador (GI s). Recursos: MME (2006), Programa Luz para Todos

21 Microcentral Hidrelétrica Piloto Tecnologia Bomba Funcionando como Turbina e seu Motor como Gerador (grupo gerador de baixo custo). P el = 43kW; Q t = 0,250m 3 /s; H t = 20m. Recursos do MME. Utilizar a estrutura da MCH como um laboratório de hidráulica para os alunos da Engenharia Hídrica da UNIFEI Objetivos Disseminar essa tecnologia de baixo custo nas regiões carentes de energia para atender o Programa Luz para Todos

22 O PROJETO: Serra da Mantiqueira, Delfim Moreira-MG Atendimento as necessidades da Fazenda Iluminação externa, nos chalés e no restaurante; Aquecimento de água; Pequeno maquinário e fábrica de gelo; Criação de trutas.

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25 O Laboratório da UNIFEI

26 Custo do grupo gerador Comparação dos custos de grupos geradores para microcentral hidrelétrica de 43 kw - Fazenda Boa Esperança R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 Ano de 2006 BFT e Michell- Banki R$ 5.000,00 R$ - Grupo gerador convencional Grupo gerador BFT / GI

27 Meta 2: Consiste na implantação de uma microcentral hidrelétrica, com tecnologia BFT / GI, na Ilha Anchieta em Ubatuba-SP (Parque Estadual da Ilha Anchieta), de forma a enquadrar o projeto dentro das premissas do Programa Luz Para Todos, do Governo Federal para atender comunidades isoladas.

28 UBATUBA PEIA

29 implantação de microcentral hidrelétrica utilizando BFT / GI (substituição do Gerador Diesel); treinamento técnico e de gestão para a autosustentabilidade da comunidade; acompanhamento dos resultados.

30 Reservatório e Barragem Rede Subterrânea Conduto Forçado

31 Vazão disponível: 5 l/s; 10l/s e 15l/s Queda bruta: 67,0 m Potência gerada: 2,0kW; 4,0kW; 6kW

32 Onde Existe Potencial Para a Utilização dessas Teconologias? Microgeração em Sistemas de Abastecimento (quedas que existem em distribuição de água e esgoto); Para abaixar pressão em linhas de abastecimento de água; Hotéis Fazenda (onde existe um aproveitamento hidroenergético); Vazão sanitária (residual) em PCHs (< 30MW); Comunidades isoladas em regiões brasileiras.

33 Estudo Hidroenergético aproveitamento de captação de água bruta no Sistema de Abastecimento de Água e Esgoto (SAAE) da cidade de Cruzeiro- SP ( habitantes) Verificar a viabilidade da instalação de um grupo gerador (BFT, MIG) antes que a água bruta passe pelo tratamento, aproveitar energia disponível para suprir parte do consumo do SAAE

34 SAAE Cruzeiro possui 3 sistemas de captação São Paulo Minas Gerais Cruzeiro Região Leste do Estado de São Paulo

35 Estação de Tratamento de Água 1 (Avelino Júnior) Figura 2. Captação de água no Rio Batedor. Figura3. Canal de adução principal.

36 METODOLOGIA Figura 4. Adutoras. Figura 5. ETA 1 (Avelino Júnior).

37 METODOLOGIA Obtenção dos Dados Vazão:Medidor de vazão ultrassônico (7 dias) Queda:diferença entre a queda bruta e a perda de carga ao longo da tubulação, entre a captação e a entrada da ETA Medidor de vazão ultrassom e sistema de aquisição de dados. Instalação do DGPS base e móvel.

38 Potência Elétrica: Consumo da ETA (7 dias) Medidor de potência elétrica quadro de comando de energia Medidas de Potência elétrica.

39 A água bruta chega até a ETA por meio de duas tubulações (250 mm e 300 mm) Seleção: 2 conjuntos motobombas 1º: Autossuficiência da ETA (gerar em sistema isolado) 2º: Comercialização de energia

40 1º: Autossuficiência da ETA - Potencial disponível na tubulação de 250 mm

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42 Demanda Energética da ETA Consumo Energético da ETA. Consumo kwh Diário 163,62 Anual ,30 Análise Econômica Tarifa de energia convencional de baixa tensão 0,32308 R$/kWh ( US$/kWh) Redução anual nos gastos de energia R$19.300,00 (US$ 10,722). Investimento Inicial (R$) Economia Anual (R$) BFT , ,76 Turbina , ,76 Gasto Anual (R$) 3.689, ,80 P el gerada (kw) 24,36 16,7 Investimento Inicial/kW gerado (R$/kW) 1.514, ,99 VPL (R$) , ,22 VA (R$) , ,91 TIR (%) TR (anos) 2,65 5,6

43 2º: Comercialização de Energia: Potencial disponível na tubulação de 300 mm

44 Considerando: Taxa de comercialização de energia de R$ 87,00/MW (48.33US$/MW) Valor bruto arrecadado anualmente, com a venda de energia, é de R$ ,45 (US$ 26,507). Investimento Inicial (R$) Economia Anual (R$) BFT , ,45 Turbina , ,45 Gasto Anual (R$) 4.214, ,80 P el gerada (kw) 53,4 36,4 Investimento Inicial/kW gerado (R$/kW) 788, ,26 VPL (R$) , ,12 VA (R$) , ,77 TIR (%) TR (anos) 1,29 3,8

45 Alpes Austríacos

46 Sistema de Abastecimento da cidade de Bruck, estado Styria, Áustria, 80km de Graz By-pass BFT

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48 Brasil e América do Sul P < 100kW Europa 1kW < P < 1000kW

49 Controle da freqüência (sistema isolado) Tem-se utilizado controle de carga; Sistema de proteção da CGH Tem-se utilizado comporta na câmara de carga e pode ser utilizado na válvula de entrada como na Europa; Geradores de indução até que potência no Brasil é viável? Sistema interligado no Brasil Resolução Normativa ANEEL 482 de abril 2012 e alterada na Resolução 517 de dezembro 2012; Sistema automatizado; Utilizar BFTs nos locais de válvulas redutoras de pressão. Dissertação Microgeração em Sistemas de Abastecimento de Água Gustavo Meirelles Lima, UNIFEI, Janeiro de 2013

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