Educação e tecnologia é tema de seminário realizado pela UNIFEI

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1 PCH Notícias & SHP News Ano 15 Revista vol. 58 Nº 03 JUL/AGO/SET Educação e tecnologia é tema de seminário realizado pela UNIFEI Education and Technology is the theme of the seminary held by UNIFEI CERPCH/UNIFEI realiza primeiro seminário latino-americano de máquinas hidráulicas e sistemas CERPCH/UNIFEI performances the first Latin American seminary of hydraulic machines and systems Centro de Referência em PCH da UNIFEI recebe prêmio internacional Reference Centre in Small Hydropower Plants of UNIFEI receives international award ISSN Artigos técnicos Technical articles + Agenda de eventos Events schedule Publicação apoiada pela Associação Internacional de Máquinas Hidráulicas

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3 Comitê Diretor do CERPCH Director Committee CEMIG / FAPEPE / IEE-USP / FURNAS / IME / EletrobrAs / ANEEL / MME Comitê Editorial Editorial Committee Presidente - President Geraldo Lúcio Tiago Filho - CERPCH/UNIFEI Editores Associados - Associated Publishers Adair Matins - UNCOMA - Argentina Alexander Gajic - University of Serbia Alexandre Kepler Soares - UFMT Ângelo Rezek - ISEE/UNIFEI Antônio Brasil Jr. - UnB Artur de Souza Moret - UNIR Augusto Nelson Carvalho Viana - IRN/UNIFEI Bernhard Pelikan - Bodenkultur Wien - Áustria Carlos Barreira Martines - UFMG Célio Bermann - IEE/USP Edmar Luiz Fagundes de Almeira - UFRJ Fernando Monteiro Figueiredo - UnB Frederico Mauad - USP Helder Queiroz Pinto Jr. - UFRJ Jaime Espinoza - USM - Chile José Carlos César Amorim - IME Marcelo Marques - IPH/UFRGS Marcos Aurélio V. de Freitas - COPPE/UFRJ Maria Inês Nogueira Alvarenga - IRN/UNIFEI Orlando Aníbal Audisio - UNCOMA - Argentina Osvaldo Livio Soliano Pereira - UNIFACS Regina Mambeli Barros - IRN/UNIFEI Zulcy de Souza - LHPCH/UNIFEI TECHNICAL COMMITTEE Prof. François AVELLAN, EPFL École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland, francois.avellan@epfl.ch, Chair; Prof. Eduardo EGUSQUIZA, UPC Barcelona, Spain, egusquiza@mf.upc.es, Vice-Chair; Dr. Richard K. FISHER, VOITH Hydro Inc., USA, richard.fisher@voith.com, Past-Chair; Mr. Fidel ARZOLA, EDELCA, Venezuela, farzola@edelca.com.ve; Dr. Michel COUSTON, ALSTOM Hydro, France, michel.couston@power.alstom.com; Dr. Niklas DAHLBÄCK, VATENFALL, Sweden, niklas.dahlback@vattenfall.se; Mr. Normand DESY, ANDRITZ Hydro Ltd., Canada, normand.desy@andritz.com; Prof. Chisachi KATO, University of Tokyo, Japan, ckato@iis.u-tokyo.ac.jp; Prof. Jun Matsui, Yokohama National University, jmat@ynu.ac.jp; Dr. Andrei LIPEJ, TURBOINSTITUT, Slovenija, andrej.lipej@turboinstitut.si; Prof. Torbjørn NIELSEN, Norwegian University of Science and Technology, Norway, torbjorn.nielsen@ntnu.no; Mr. Quing-Hua SHI, Dong Feng Electrical Machinery, P.R. China, qhshi@dfem.com.cn; Prof. Romeo SUSAN-RESIGA, Politehnica University Timisoara, Romania, resiga@mh.mec.utt.ro; Prof. Geraldo TIAGO F, Universidade Federal de Itajubá, Brazil, tiago@unifei.edu.br. Expediente Editorial Editor Geraldo Lúcio Tiago Filho Coord. Redação Camila Rocha Galhardo Jornalista Resp. Adriana Barbosa MTb-MG Redação Adriana Barbosa Camila Rocha Galhardo Fabiana Gama Viana Colaborador Angelo Stano Projeto Gráfico Net Design Diagramação e Arte lidiane Silva Cidy Sampaio Tradução Romulo Vilas boas Chiaradia Revisão Patrícia Kelli Silva de Oliveira Impressão Editora Acta Ltda Hidro&Hydro - PCH Notícias & SHP News é uma publicação trimestral do CERPCH The Hidro&Hydro - PCH Notícias & SHP News is a three-month period publication made by CERPCH Tiragem/Edition: exemplares/issues contato comercial: pchnoticias@unifei.edu.br / site: Av. BPS, Bairro Pinheirinho Itajubá - MG - Brasil - cep: pchcomunicacao@unifei.edu.br pchnoticias@unifei.edu.br Fax/Tel: +55 (35) Editorial Editorial R Curtas News 06 Centro de Referencia em PCH da UNIFEI recebe prêmio internacional Reference Centre in Small Hydropower Plants of UNIFEI receives international award CERPCH/UNIFEI realiza primeiro seminário latino-americano de máquinas hidráulicas e sistemas CERPCH/UNIFEI performances the first Latin-American seminary of hydraulic machines and systems Educação e tecnologia é tema de seminário realizado pela UNIFEI Education and Technology is the theme of the seminar held by UNIFEI Artigos Técnicos Technical Articles Agenda Schedule 26 Universidade Federal de Itajubá ISSN Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Mauá Bibliotecária Margareth Ribeiro- CRB_6/1700 Revista Hidro & Hydro PCH Notícias & Ship News, UNIFEI/CERPCH, v.1, Itajubá: CERPCH/IARH, 1998 v.15, n. 58, jul./set Trimestral. Editor chefe: Geraldo Lúcio Tiago Filho. Jornalista Responsável: Adriana Barbosa MTb_MG ISSN Energia renovável. 2. PCH. 3. Energia eólica e solar. 4. Usinas hi_ drelétricas. I. Universidade Federal de Itajubá. II. Centro Nacional de Re_ ferência em Pequenas Centrais Hidrelétricas. III. Título. 3

4 EDITORIAL Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (3), Jul,set/2013 Prezado Leitor, Nesta edição a revista Hidro&Hydro traz a cobertura de diversos eventos realizados pelo centro e pela Universidade Federal de Itajubá. Esses eventos mostram a preocupação dos agentes e pesquisadores em ampliar as linhas de pesquisas e estudos no setor de geração elétrica por meio da hidroeletricidade. Como sabemos nosso país terá que dobrar sua capacidade instalada de geração de energia elétrica, nos próximos 15 anos, para poder atender a crescente demanda. O que significaria aumentar a capacidade geradora dos atuais 121 mil MW para 230 mil MW. Deste modo seminários, encontros e conferências são de extrema importância para troca de informações e apresentação de estudos que possam ajudar a aperfeiçoar e garantir um maior desempenho de equipamentos para as usinas. Assim, o CERPCH cada vez mais vai incentivar a organização de eventos para propiciar a interface entre o meio acadêmico e a indústria. Dear readers, In this edition Hidro&Hydro Magazine brings news on several events carried out by CERPCH and Itajubá Federal University. These events demonstrate the concern of agents and researchers in expanding lines of research and study on power generation sector through hydro power. As we know our country must double its installed capacity of electric energy generation in the next 15 years for being able to supply the growing demand. This means to major generating capacity of current 121 thousand MW for 230 thousand MW. Seminaries, workshops and conferences are extremely important for exchanging information and for presenting studies which may help to improve and assure a better performance of plants equipments. CERPCH is more and more concerned in encouraging organization of events to provide interface between academic environment and industry. Good Reading! Boa leitura! Geraldo Lúcio Tiago Filho Geraldo Lúcio Tiago Filho Apoio: 4 IAHR DIVISION I: HYDRAULICS TECHNICAL COMMITTEE: HYDRAULIC MACHINERY AND SYSTEMS

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6 CURTAS Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (3), Jul,set/2013 Centro de Referencia em PCH da UNIFEI recebe prêmio internacional Reference Centre in Small Hydropower Plants of UNIFEI receives international award Por Adriana Barbosa Translation: Romulo Vilas boas Chiaradia Adriana Barbosa Vice-reitor da UNIFEI, prof. Paulo Waki, juntamente com o secretário Executivo do CERPCH, prof. Tiago Filho durante a premiação. Unifei's Vice Rector, Prof. Paulo Waki with CERPCH's Executive Secretary, Prof.Tiago Filho during awards ceremony. O Centro Nacional de Referencia em Pequenas Centrais Hidrelétricas (CERPCH) da Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) recebeu da HRW-Hydro Review Worldwide and Hydro Review magazines and the HydroVision Brasil event, uma premiação pelos relevantes estudos e trabalhos realizados no setor de energias renováveis nesses 15 anos de atuação. O CERPCH tem como objetivo a disseminação de informações por meio da Publicação da Hidro & Hydro, antiga PCH Notícias & SHP News, o portal e da realização de eventos técnicos científicos como a Conferência de Centrais Hidrelétricas, Mercado e Meio Ambiente. Além da produção de livros e cartilhas bem como a realização de cursos de especialização. Segundo a editora chefe da editora PennWell e responsável pela premiação, Marla Barnes, a escolha do Centro se dá por sua representatividade no setor, principalmente como referencia em pequenas centrais. Além de celebrar, também, o centenário da Universidade Federal de Itajubá. Para o Secretário Executivo do CERPCH, professor Geraldo Lúcio Tiago Filho, receber esse prêmio é de grande importância não só para Centro como, também, para todos os colaboradores. Essa premiação faz com que sejamos motivados a investir cada vez mais em pesquisas e comunicação, afirma Tiago Filho. The National Reference Center in Small Hydropower Plants (CERPCH) of Federal University of Itajubá (UNIFEI) received, an award for the relevant studies and work performed in renewable energy field in fifteen years of performance from HRW-Hydro Review Worldwide and Hydro Review magazines and the Hydro Vision Brazil event. CERPCH has as an objective to disseminate information through the publication of Hidro & Hydro, previously called PCH Notícias (SHP News), the portal holding Scientific technical events such as the Conference of Hydropower Plants, Market and Environmental; Along with the production of books and booklets, as well as offering specialization courses. According to the chief editor of PennWell publishing house, Marla Barnes, responsible for the award, the choice of the Center is given by its representation in the sector, mainly as a reference in small plants. And also celebrating the centennial of the Federal University of Itajubá. According to the executive Secretary of CERPCH, Professor Geraldo Lúcio Tiago Filho, receiving the award is of great importance not only for the Center but also for all its collaborators. This award makes us motivated to invest more in research and communication, says Tiago Filho. 6

7 Technical Articles Seccion GESTÃO DE ENERGIA BASEADO NA UTILIZAÇÃO DOS CONCEITOS DA MANUFATURA ENXUTA... 8 energy management based on use of lean manufacturing concepts Anderson Sales Porto AVALIAÇÃO da complementaridade dos potenciais hídricos e eólicos sazonalmente na bacia do Rio Verde Grande-MG Evaluation of the complementarity of water and wind potential seasonally in the basin of Verde Grande river MG Rafael Guerra Estudos de distribuição de velocidade com técnicas de CFD para tubulação de derivação de água em sistema de abastecimento de água Studies on speed distribution with CFD techniques for water derivation pipe in water supply system Ivan Felipe dos Santos, Fernando das Graças Braga da Silva, Geraldo Lúcio Tiago Filho, Regina Mambeli Barros Classificação Qualis/Capes B5 B4 IAHR DIVISION I: HYDRAULICS TECHNICAL COMMITTEE: HYDRAULIC MACHINERY AND SYSTEMS ENGENHARIAS I; III e IV Biodiversidade Interdisciplinar Áreas de: Recursos Hídricos Meio Ambiente Energias Renováveis e não Renováveis A revista está indexada no DOI sob o prefixo ARTIGOS TÉCNICOS TECHNICAL ARTICLES 7

8 ARTIGOS TÉCNICOS GESTÃO DE ENERGIA BASEADO NA UTILIZAÇÃO DOS CONCEITOS DA MANUFATURA ENXUTA GESTÃO DE ENERGIA BASEADO NA UTILIZAÇÃO DOS CONCEITOS DA MANUFATURA ENXUTA 1 Anderson Sales Porto Resumo Este artigo apresenta algumas ferramentas da manufatura enxuta que podem ser aplicadas na gestão de energia, bem como exemplos de aplicação destas ferramentas para melhorar a eficiência energética. A manufatura enxuta é uma filosofia de gestão focada na redução de desperdícios; existem vários planos e programas que utilizam os princípios da manufatura enxuta para explorar os tipos de desperdícios e a forma como estes afetam o processo. Há muitas razões para integrar a eficiência energética aos conceitos da manufatura enxuta; reduções de energia consideráveis normalmente caminham lado a lado com atividades da manufatura enxuta por causa do foco em eliminar atividades que não adicionam valor. Apresentar as ferramentas da manufatura enxuta para aplicação na gestão de energia é uma oportunidade para que outras organizações possam utilizar, também, estes conceitos para melhorar o desempenho energético e alcançar objetivos de redução com a diminuição de desperdício. Assim, neste trabalho buscou-se verificar como as ferramentas da manufatura enxuta podem ser aplicadas em organizações. Para atender este objetivo, foi realizado um estudo de literatura e pesquisa relacionada à utilização das ferramentas da manufatura enxuta para a melhoria da eficiência energética em organizações. Conclui-se que a aplicação das ferramentas da manufatura enxuta na gestão de energia, pode contribuir para que as organizações consigam reduzir o consumo de energia e por consequência reduzir os seus custos. PALAVRAS-chave: Energia, manufatura enxuta, gestão. energy management based on use of lean manufacturing concepts ABSTRACT This article presents some lean manufacturing tools that can be applied for energy management, as well as applying examples of lean tools to improve energy efficiency. Lean manufacturing is a management philosophy focused on reducing waste; there are several programs that use the lean principles to explore the various types of waste and how they affect the process. There are many reasons to integrate energy efficiency to the lean manufacturing concepts; considerable power reductions often go hand in hand with activities of lean because the lean manufacturing focus on eliminating non-value added activities. Present the lean manufacturing tools for energy management use is an opportunity for other organizations may also use these concepts to improve performance and achieve energy reduction goals with a decrease in waste. Thus, this study tried to determine how the lean manufacturing tools can be applied in organizations to reduce the energy consumption. To meet this goal, a literature review and a research related to the use of lean manufacturing tools to improve energy efficiency in organizations was performed. It is concluded that the application of lean manufacturing tools in the management of energy, can contribute to the organizations to reduce energy consumption and therefore reduce their costs. Keywords: Energy, lean manufacturing, management. 1. Introdução A importância dos programas de redução de custos dentro de uma organização é de vital importância; para que as organizações se tornem mais competitivas é necessário cortar gastos para atingir o sucesso. Moretão (2009) explica que a competitividade acentua ainda mais a necessidade de uma gestão de custos eficaz, visando obter a excelência empresarial, de modo que, custos mal calculados e mal incorporados aos produtos, afetam profundamente a empresa, independente de porte, ramo ou mercado atuante. Emplementar estratégias de redução de custos pode ser o fator determinante para a sobrevivência de um negócio; desta forma, é necessário que as empresas procurem alternativas para reduzir os custos e eliminar todos os desperdícios é um caminho. Neste sentido, Zanluca (2009) informa que uma empresa que possui um sistema de controle de custos eficientes consegue controlar suas atividades, tendo como finalidade, a redução dos custos de seus produtos e a melhora da produtividade, obtendo assim, vantagem competitiva frente à concorrência, aumento da demanda, obtendo como resultado, a ampliação de sua importância no mercado. Por tradição, a energia elétrica tem sido administrada como um custo, uma despesa a ser controlada, uma conta a ser paga. Porém, diante da necessidade de redução de custos, uma nova perspectiva em relação à energia deve ser considerada, especialmente quando a mesma é utilizada para produção. Segundo Salazar (2012), a energia é um dos principais insumos de produção nos setores energo intensivos e seu custo representam importantes parcelas nas estruturas de custos das empresas. Em um processo de produção, as organizações não somente precisam conhecer onde a energia elétrica está sendo utilizada, mas principalmente gerenciá-la como um insumo no seu processo de produção, que sendo bem administrado pode sustentar e manter o negócio lucrativo. Para Liker (2005), os desperdícios se escondem por toda parte na produção. Todos os desperdícios se tornam parte dos 1 UFES. Universidade Federal do Espírito Santo. Centro Universitário Norte do Espírito Santo. Aluno do programa de pós-graduação Mestrado em Energia. Anderson_porto@hotmail.com.br 8 Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (1), Jul,ago,set/2013, da pág

9 GESTÃO DE ENERGIA BASEADO NA UTILIZAÇÃO DOS CONCEITOS DA MANUFATURA ENXUTA TECHNICAL ARTICLES custos, portanto, são pontos relevantes na busca pela redução de custos. De acordo com a publicação Brasil Sustentável, série horizontes da Competitividade Industrial, trabalho realizado pela empresa Ernst & Young e pela Fundação Getúlio Vargas, até 2030 ocorrerá um aumento aproximado de 30% nos custos de energia elétrica. Portanto, enxergar a redução de consumo de energia elétrica como um caminho para a vantagem competitiva é fundamental. A manufatura enxuta é um sistema de produção cujo principal foco é a identificação e posterior eliminação dos desperdícios (WOMACK e JONES, 1996). A aplicação da manufatura enxuta alcança ótimos resultados, uma vez que, atuando na eliminação de desperdícios é possível reduzir os custos de produção. Segundo Liker (2005), este sistema de produção foi desenvolvido por Shigeo Shingo para a Toyota Motor Company na década de 50 no Japão; momento este, no qual esta empresa estava passando por um período de crise e, portanto, necessitava desenvolver novos meios de produção com o objetivo de reduzir custos para garantir a sua permanência no mercado. A filosofia do Sistema de Produção Enxuta parte do princípio de que há desperdício em todos os lugares em uma organização (ALMEIDA, 2004 apud Moraes e Sahb, 2004). O uso desnecessário de energia elétrica é um desperdício e desta forma, por meio da aplicação dos conceitos do sistema de manufatura enxuta podese reduzir custos. Neste sentido, por meio de uma revisão e exemplos de aplicações práticas, o objetivo deste artigo é mostrar que é possível economizar energia elétrica, por meio da utilização das ferramentas da manufatura enxuta. O tema tornou-se um objeto de estudo por se tratar de ferramentas simples que pode ajudar as organizações em relação à gestão do consumo de energia. 2. Manufatura enxuta: Definição e ferramentas Anderson et al. (2006) definem manufatura enxuta como uma abordagem sistemática para identificar e eliminar os desperdícios, por meio de um processo de melhoria contínua em busca da perfeição a partir das necessidades dos clientes. Villiers (2006) relata que, de modo geral, a filosofia da manufatura enxuta é reduzir de forma contínua as perdas em todas as áreas e de todas as formas. A manufatura enxuta, que também é conhecida como Sistema Toyota de Produção (STP), teve início na década de 1950, no Japão, mais especificamente na empresa Toyota Motor Company; a manufatura enxuta é uma filosofia operacional que surgiu da necessidade da Toyota Motor Company se tornar uma empresa mais competitiva em relação às empresas automobilísticas americanas. De acordo com Womack et al. (1992), foram Eiiji Toyoda e Taiichi Ohno, da Toyota Motor Company, que perceberam que a manufatura em massa não funcionaria no Japão e, então, adotaram uma nova abordagem para a produção, a qual tinha como base a eliminação de desperdícios. Apesar da manufatura enxuta, muitas vezes ser divulgada e entendida como algo novo, na verdade, muitos de seus princípios são trabalhos de pioneiros como Deming, Taylor e Skinner (James-Moore & Gibbons, 1997). Atualmente, empresas do mundo todo nos mais diferentes ramos de negócios utilizam as ferramentas da manufatura enxuta em todas as suas atividades, com o objetivo de aumentar seus ganhos por meio da eliminação de desperdícios ao longo de seus processos produtivos. Segundo Toomey (1994), com a melhoria das operações de manufatura decorrente da implantação dos conceitos da manufatura enxuta, a gestão de custos também deve melhorar. Segundo Scuccuglia; Lima (2004), as empresas, além de melhorarem seus processos, produtivos, estão em busca de alternativas para aperfeiçoarem seus processos administrativos, visando melhorar o atendimento aos clientes e agilizar estes processos. 3. Gestão de energia: Aplicação das ferramentas da manufatura enxuta Para melhorar os processos por meio da aplicação dos conceitos da manufatura enxuta, se faz necessário a utilização de ferramentas nos processos de gestão. De acordo com Liker (2004), a manufatura enxuta é um sistema projetado para fornecer as ferramentas para que as pessoas possam melhorar continuamente o seu trabalho. Segundo Liker (2004), o sistema (manufatura enxuta) pode ser resumido em 14 princípios. Com foco em oportunidades de redução de custos de energia elétrica, este capítulo apresenta e descreve algumas ferramentas e exemplos de aplicações baseados em alguns dos 14 príncípios da manufatura enxuta, são eles: Conduzir eventos de Kaizen voltados para Energia; Usar o MPT (Manutenção Produtiva Total) para reduzir o desperdício de energia em equipamentos; Projetar o layout do processo para melhorar o fluxo e reduzir o consumo de energia; Incentivar a redução de energia elétrica por meio da utilização de trabalho padrão e controles visuais; 3.1 KAIZEN: Conceito e características Kaizen é uma palavra japonesa que significa melhoria. De acordo com Sharma (2003, p ), a palavra Kaizen é a fusão de dois caracteres japoneses KA e ZEN conforme ilustrado na figura 1, significa respectivamente mudar e bem. Fonte: Sharma e Moody (2003, p114) FIG. 1: Kaizen: palavra de origem japonesa A palavra Kaizen foi usada no Japão por muitos anos como parte do vocabulário diário, porém, esta palavra adquiriu um significado novo nas indústrias japonesas a partir do século XX. Passou a representar a prática de melhorias por meio da eliminação de desperdícios com o envolvimento de todos os funcionários. Segundo Aragon (2005), o Kaizen esta pautado na eliminação de desperdícios com base no bom senso, no uso de ferramentas baratas que se apoiem na motivação e criatividade dos colaboradores para melhorar a prática de seus processos. Conforme pode ser visualizado na figura 2, Masaaki Imai apresenta o Kaizen como um conceito guarda-chuva que abrange todas as técnicas de melhoria (IMAI, 1994). Nos últimos anos, as indústrias estão utilizando o Kaizen para melhorar os seus processos e como consequência, criar uma vantagem competitiva. O sucesso do Kaizen depende do envolvimento dos funcionários; é um esforço contínuo com efeito cumulativo que se mantido é uma estratégia poderosa. Kaizen significa melhoramento em todas as áreas, seja melhoramento na vida pessoal, na vida doméstica, na vida social e no trabalho. Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (1), Jul,ago,set/2013, da pág

10 ARTIGOS TÉCNICOS GESTÃO DE ENERGIA BASEADO NA UTILIZAÇÃO DOS CONCEITOS DA MANUFATURA ENXUTA 3.3 Etapas para a realização de eventos de Kaizen. Orientação para o consumidor TQC (controle total da qualidade) Robótica Círculos de CQ Sistema de sugestões Automação Disciplina no local de trabalho MPT (manutenção produtiva total) FIG. 2: O guarda chuva do Kaizen. KAIZEN Kanban Melhoramento da qualidade "Just-in-time" Zero defeitos Atividades em grupos pequenos Relações cooperativas entre administração e mão de obra Melhoramento da produtividade Desenvolvimento de novos produtos 3.2 Eventos de Kaizen voltados para energia Fonte: Imai (1994, p. 4). Depois de identificar as áreas de produção que consomem grandes quantidades de energia, pode-se ainda analisar e eliminar práticas de desperdício por meio de eventos Kaizen. Os eventos Kaizen são atividades de melhoria contínua, onde os princípios da manufatura enxuta são aplicados. Os eventos de Kaizen podem criar oportunidades para que sejam estudadas formas de eliminar desperdícios de energia elétrica. Além de criar oportunidades, existe outro aspecto muito importante no Kaizen: o envolvimento de todos os empregados. Os empregados podem desempenhar uma função vital no melhoramento dos padrões, especialmente por meio de um sistema de sugestões que no Kaizen é muito estimulado, e tem, como uma das consequências positivas, pessoas mais dispostas a seguir os novos padrões por elas mesmas propostos. (IMAI, 1994). De 1999 a 2005, a Eastman Kodak Company, comumente conhecida como Kodak, usou os eventos de Kaizen para gerar um total de US$ 14 milhões em economia anual de energia. O quadro 1 mostra exemplos de oportunidades de economia de energia identificadas durante um evento de Kaizen. Quadro 1: Exemplo de oportunidades encontradas durante um evento de Kaizen Desperdício de energia identificado Plano de ação Economia Ventiladores principais (Sistema de ar condicionado) Utilizar os ventiladores apenas em horários críticos, estabelecer $47,000 operam 24 horas/dia. um calendário. Os motores dos ventiladores estão superdimensionados. Reduzir a potência dos motores. $27,000 Alguns exaustores funcionam 24 horas/dia. As luzes da sala estão sempre ligadas e emitem mais luz do que o necessário. Alterar os exaustores para duas velocidades e programar para funcionar em baixa velocidade durante as horas de folga. Instalar sensores de movimento para controlar as luzes e reduzir o número de lâmpadas. $18,000 $25,000 As bombas de recirculação de água estão em funcionamento, Desligar e remover as bombas. $20,000 mas sem necessidade. Fonte: Quadro adaptado de Eastman Kodak Company, A execução de um evento de Kaizen, geralmente, tem uma duração de 2 a 10 dias, isto depende das ferramentas que são utilizadas (algumas ferramentas ou todas as ferramentas demonstradas no guarda-chuva Kaizen, conforme a figura 02). Uma equipe de funcionários treinados identifica e implementa mudanças no processo para reduzir desperdícios. O evento de Kaizen, de forma geral, seguem algumas etapas (Imai, 1992; Raphael, Butz et al 2003; Kenneth 2005.): Observar o processo para identificar problemas; Preparar o projeto e o plano para melhoria e novos processos; Recolher os comentários e sugestões (Brainstorm) emitidas pela equipe; Preparar o relatório sobre o que foi realizado e o que ainda precisa ser feito, incluindo um plano para futuras mudanças a serem implementadas; É importante revisar os resultados encontrados durante os eventos de Kaizen a fim de familiarizar o time com informações que podem ser utilizadas para identificar desperdícios de energia e garantir que as oportunidades de redução de energia são identificadas como parte da implementação da manufatura enxuta. 3.4 Manutenção Produtiva Total (MTP): Conceito e características. Por volta de 1971, no Japão, surgiu a Manutenção Produtiva Total, desenvolvida nas concepções do Sistema Toyota de Produção, com o objetivo principal de aumentar a rentabilidade dos negócios por meio da eliminação das falhas por quebras de equipamentos, reduzindo o tempo gasto para preparação dos equipamentos, mantendo a velocidade do maquinário, eliminando pequenas paradas e melhorando a qualidade final produto. (WILLMOT, 1994). A Manutenção Produtiva Total (MTP) é uma ferramenta da manufatura enxuta que se concentra em melhorar a eficácia dos equipamentos do processo. Utilizar a Manutenção Produtiva Total como ferramenta de gestão para reduzir o desperdício de energia em equipamentos é um caminho. A Manutenção Produtiva Total é uma filosofia gerencial que atua em todo o processo produtivo e não somente na manutenção, isto é, na organização, mas nas pessoas e nos problemas. (MARTINS E LAUGENI, 2005). A Manutenção Produtiva Total, enfoca as perdas que afetam a eficiência dos equipamentos, estas perdas podem ser agrupadas em seis grandes grupos, denominadas como as seis grandes perdas do MTP, que são (SUZUKI, 1993; IRELAND, 2001): Avarias; Preparativos e ajustes; Operação ociosa e paradas menores; Redução de velocidade; Defeitos e retrabalhos; Perdas de arranque; Eliminar as seis grandes perdas expostas acima, significa maximizar a produtividade dos equipamentos ao longo da sua vida. Com equipamentos adequados e com o sistema de manutenção implantado, é possível reduzir defeitos e economizar nos custos de energia elétrica. 3.5 Manutenção Autônoma Este capítulo se concentra em descrever as oportunidades de economia de energia associados à manutenção autônoma. Muitas práticas simples para melhorar a eficiência energética podem ser implementadas sem a necessidade de muito esforço. O conceito de manutenção autônoma já capta uma série de melhores 10 Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (1), Jul,ago,set/2013, da pág

11 GESTÃO DE ENERGIA BASEADO NA UTILIZAÇÃO DOS CONCEITOS DA MANUFATURA ENXUTA TECHNICAL ARTICLES práticas, tais como limpeza, lubrificação adequada, e as práticas de manutenção padronizada. O quadro 2 mostra exemplos de oportunidades de economia de energia por meio da aplicação de estratégias que integram a manutenção produtiva total. Quadro 2: Estratégias para integrar os esforços de redução de energia ao MTP. 1. Integrar as oportunidades de redução de energia dentro do contexto das atividades de manutenção autônoma. 2. Treinar os funcionários sobre como identificar desperdícios de energia e como aumentar a eficiência dos equipamentos por meio de manutenção e operação. 3. Realizar eventos de Kaizen voltados para energia para tornar os equipamentos mais eficientes. Fonte: Quadro adaptado de Lean, Energy & climate toolkit, Trabalho padrão: Conceito e características. Não se pode pensar em manufatura enxuta sem a existência de trabalho padronizado, tido como um fator fundamental para garantir um fluxo contínuo de produção. Sendo assim, ele se torna uma das práticas essenciais da manufatura enxuta (FERREIRA; REIS; PEREIRA, 2002). O conceito de padronização é utilizado na manufatura para manter a estabilidade nos processos, garantindo que as atividades sejam realizadas sempre numa determinada sequência e da mesma forma, num determinado intervalo de tempo e com o menor nível de desperdícios, conseguindo elevada qualidade e alta produtividade. É a base para realizar as futuras melhorias, eliminando mais desperdícios e encurtando ainda mais o lead time. (NISHIDA, 2007). De Acordo com Dennis (2008), o trabalho padronizado é a maneira mais segura e eficaz de realizar o trabalho como é conhecido em um determinado momento. O controle visual é um princípio fundamental na manufatura enxuta. Em processo que possui um sistema de controle visual qualquer pessoa não familiarizada com o processo pode em questão de minutos, saber que está acontecendo, pode compreender o processo, e saber o que está sendo feito corretamente e o que está fora de lugar. Os benefícios trazidos pela gestão visual estão relacionados com a possibilidade de medição do desempenho da fábrica, ajudando as equipes a atingirem seus objetivos (PARRY; TURNER, 2006). Controles visuais são usados para reforçar os procedimentos padronizados e para exibir o status de uma atividade de modo que cada empregado possa vê-lo e tomar as medidas adequadas. Controles visuais padronizam melhores práticas para equipamentos, para o da energia, e pode ser adotado em toda a instalação. Quadro 2: Estratégias para integrar os esforços de redução de energia ao MTP 1. Sinalização de tubulações com código de cores para ajudar os operadores rapidamente identificar e relatar informações importantes, por exemplo, vazamentos. 2. Instalação de avisos, com o objetivo de lembrar os funcionários, por exemplo, desligar interruptores ou tomadas de energia, desligar o equipamento que não estiver em uso. 3. Identificar o custo anual de energia e exibi-lo no equipamento para sensibilizar e incentivar os funcionários a economizar energia. Fonte: Quadro adaptado de Lean, Energy & climate toolkit, Os controles visuais também são ferramantas poderosas para enxergar os resultados reais em relação às metas e para encorajar melhorias. A figura 3 mostra um sistema de controle visual que mostra o consumo de energia diário. 3.7 Trabalho Padrão: Redução de consumo de energia Trabalho padrão é o estágio final da implementação da manufatura enxuta na medida em que ajuda a sustentar as melhorias já implementadas e serve como base para futuros esforços de melhoria contínua (Kaizen). De acordo com Liker & Meier (2007), o trabalho padronizado deve ser uma base para o Kaizen, se um trabalho é realizado cada vez de uma maneira, não há base para avaliação. Uma organização pode maximizar os ganhos com a redução de energia por meio da incorporação de melhores práticas no padrão de trabalho. O quadro 3 mostra exemplos de aplicação do trabalho padronizado como estratégias para a redução do consumo de energia. Quadro 3: Exemplos de aplicação do trabalho padrão com o objetivo de reduzir o consumo de energia. 1. Construir melhores práticas de redução de energia em materiais de treinamento, em trabalho padrão para a operação e manutenção dos equipamentos. 2. Incluir dicas para a redução de energia de redução em reuniões semanais de equipe semanais e em boletins mensais. 3. Adicionar melhores práticas de redução de energia nos checklists utilizados na implementação do 5S. Fonte: Quadro adaptado de Lean, Energy & climate toolkit, Controles visuais. 4. Considerações finais Fonte: Indianapolis museum of art Este trabalho, por meio de pesquisa e do estudo de literatura, constatou que as ferramentas da manufatura enxuta auxiliam na eliminação de desperdícios e na melhoria dos processos como um todo, reduzindo custos e, portanto, é uma ferramenta de muito valor para a obtenção de vantagens competitivas. Constatou-se também que sendo a energia elétrica um dos principais insumos de produção e que existe uma previsão de aumento nos custos de energia elétrica para os próximos anos, é de fundamental importância que a energia elétrica seja administrada com maior eficiência. Por meio da utilização dos princípios e ferramentas da manufatura enxuta para a redução de consumo de energia elétrica, nesta pesquisa pode-se perceber que, organizações alcançaram resultados muito positivos. Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (1), Jul,ago,set/2013, da pág

12 ARTIGOS TÉCNICOS GESTÃO DE ENERGIA BASEADO NA UTILIZAÇÃO DOS CONCEITOS DA MANUFATURA ENXUTA Desta forma, por meio das ferramentas da manufatura enxuta e também por meio dos exemplos de aplicação destas ferramentas apresentadas neste trabalho, pode-se concluir que é possível integrar e aplicar os conceitos da manufatura enxuta para a redução de custos de energia elétrica, uma vez que o foco principal da manufatura enxuta é a eliminação de desperdícios e o uso desnecessário de energia de elétrica é um desperdício, não adiciona valor e, portanto, precisa ser eliminado de qualquer processo. Considera-se que o objetivo deste trabalho foi atingido, com base na literatura estudada e nos exemplos de aplicação pesquisados, a aplicação das ferramentas da manufatura enxuta deve ser incentivada para a redução de custos de energia elétrica. Neste sentido, cabe ressaltar que pesquisas futuras devem ser realizadas propondo a aplicação dos conceitos e das ferramentas da manufatura enxuta demonstradas neste trabalho, com o objetivo de mensurar a quantidade de energia que é possível economizar através da aplicação das ferramentas da manufatura enxuta em organizações. Espera-se também que o presente trabalho auxilie as organizações em seus processos e programas de gestão para que estas possam aplicar os conceitos e as ferramentas da manufatura enxuta em suas organizações com o objetivo de melhorar o desempenho energético e alcançar vantagem competitiva. 5. Referências ALMEIDA, Carla Andréia. Implantação da Manufatura Enxuta em uma célula de Produção. São Paulo, ANDERSSON, R.; ERIKSSON, H; TORSTENSSON, H. Similarities and differences between TQM, six sigma and lean. The TQM Magazine, v. 18, nº 3, p , ARAGON, J. B. Melhoria através do Kaizen. Disponível em: < pdf>. Acesso em: 23 jun DENNIS, Pascal. 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Disponível em: < portaldecontabilidade.com.br>. Acesso em: 14 jun ZAWISLAK, Paulo Antônio et al. A produção enxuta e novos padrões de fornecimento em três montadoras de veículos no Brasil. In: XXI Simpósio de Gestão da Inovação Tecnológica, são Paulo: Anais do XXI Simpósio de Gestão da Inovação Tecnológica, v. único. 12 Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (1), Jul,ago,set/2013, da pág

13 avaliação da complementaridade dos potenciais hídricos e eólicos sazonalmente na bacia do rio verde grande-mg TECHNICAL ARTICLES Avaliação da complementaridade dos potenciais hídricos e eólicos sazonalmente na bacia do Rio Verde Grande-MG 1 Rafael Guerra RESUMO A ampliação da matriz energética do país vem sendo cada vez mais necessária acompanhada ao alto crescimento econômico que o Brasil promove nos últimos anos. A ampliação da capacidade instalada por fontes convencionais de geração de energia (hidrelétricas e térmicas) vem encontrando dificuldades no que diz respeito a licenciamento ambiental, principalmente em grandes projetos. Nesse sentido, estratégias para o melhor aproveitamento de potencial energético de uma região, a partir de fontes renováveis de energia, tem se tornado cada vez mais importante para o planejamento energético brasileiro. O presente estudo avalia sazonalmente (mês a mês), a complementaridade dos potenciais de geração de energia elétrica, por fonte hídrica e eólica, na bacia do rio Verde Grande, localizado na região norte de Minas Gerais. Assim como a maior parte da região Nordeste, o local escolhido não apresenta grandes potenciais de geração hídrica, além disso, a maioria dos rios é intermitente, dificultando a geração no período de seca. No entanto, nesse período a região se dispõe de melhores regimes de afluência de ventos. PALAVRAS-chave: Matriz Energética, Complementaridade, Potencial hídrico, Potencial eólico. Evaluation of the complementarity of water and wind potential seasonally in the basin of Verde Grande river MG ABSTRACT The enlargement of the energy mix of the country is being more and more necessary accompanied to the high economical growth that Brazil promotes in the last years. The desire to increase the capacity installed by the conventional sources of generation of energy (hydroelectric power stations and thermal) is having difficulties in what says respect to environmental licensing, mainly in great projects. However, strategies for the best utilization of energy potential of a region, from renewable energy sources, has become increasingly important for the Brazilian energetic planning. In this context, the present study evaluates seasonally (month to month), the complementarity of the potential of electric power generation, for source water and wind, in the basin of the Verde Grande river, located in the northern region of Minas Gerais. As well as the greater part of the Northeast region, the place chosen not presents great potential of hydropower generation, in addition, the majority of the rivers and intermittent, making it difficult for the generation in the period of drought. However, in this period the region offers bests influx of winds. KEYWORDS: Mix energy, Complementarity, Hydropower potential, Wind potential. 1. INTRODUÇÃO Diante do alto crescimento econômico que o Brasil vem promovendo nos últimos anos torna-se cada vez mais necessária a ampliação da matriz energética do país. No setor elétrico, o incremento de capacidade, pelas fontes convencionais de geração de energia, vem atravessando dificuldades com licenciamento ambiental. Com isso, tem se intensificado o uso das fontes renováveis para a geração de energia elétrica, com pequenas e médias usinas, no Brasil. Podem-se citar um exemplo recente de um leilão de energia promovido pelo Governo Federal, em setembro de 2010, quando foram leiloados cerca de 4 GW de potência eólica a um custo de quase 131 R$/MWh, custo competitivos as pequenas centrais hidrelétricas [1]. Diferentemente da maioria dos países do mundo, a base da matriz de geração de energia elétrica do Brasil é composta na sua grande maioria por fontes renováveis, essencialmente hídricas, no entanto, ainda existem grandes potenciais a serem aproveitados [2]. Segundo [3], até hoje, o país aproveitou somente um terço do potencial de geração de energia elétrica por fonte hídrica e ainda existem potenciais de cerca de 300 GW a serem aproveitados pela geração eólica. Não obstante, no caso dos potenciais hidrelétricos, os maiores potenciais localizam longe dos grandes centros consumidores o que dificulta o aproveitamento dos mesmos, devido principalmente, ao aumento de custos com transmissão. A seguir a Tabela 1 apresenta as capacidades instaladas e os índices de aproveitamento dos potenciais hidrelétricos das principais bacias do país. Podem-se perceber que ainda existem grandes potenciais a serem aproveitados. Assim como a maior parte da região Nordeste, a região norte de Minas Gerais não apresenta grandes potenciais de geração hídrica, além disso, a maioria dos rios é intermitente, dificultando a geração no período de seca. No entanto, nesse período a região se dispõe de melhores regimes de afluência de ventos. Neste contexto, o aproveitamento eólico pode-se tornar viável uma vez que, em sistemas híbridos (hídricos e eólicos), o excedente da capacidade de produção de energia elétrica pode ser armazenado nos reservatórios das usinas hidrelétricas, para substituírem eventuais escassezes hídricas, ou permitir o controle da vazão à preservação de outras atividades como, por exemplo, a agrícola. Diante deste cenário, estudos de complementaridade entre as formas de geração de energia hídrica e eólica vêm se tornando cada vez mais importantes para o planejamento energético do país. Deste modo o objetivo do presente estudo é verificar a complementaridade dos potenciais hídricos e eólicos sazonalmente (mês a mês) na sub-bacia do Verde Grande- MG. 1 UNIFEI/Campus Itabira, rafaeloguerra@hotmail.com Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (2), Jul,ago,set/2013, da pág

14 ARTIGOS TÉCNICOS GESTÃO DE ENERGIA BASEADO NA UTILIZAÇÃO DOS CONCEITOS DA MANUFATURA ENXUTA Tabela 1: Capacidade Instalada (MW) e Índices de aproveitamento por bacia hidrográfica [2]. Bacia Código Estimado Inventariado Total (MW) (MW) % em relação % em relação % em relação (MW) [a] (MW) [b] ao total ao total ao total Rio Amazonas ,49 78, ,07 23, ,56 40,6 Rio Tocantins ,80 2, ,65 13, ,45 10,3 Atlântico Norte/Nordeste ,50 1, ,85 1, ,35 1,2 Rio São Francisco ,28 2, ,84 13, ,12 10,1 Atlântico Leste ,20 2, ,81 7, ,01 5,6 Rio Paraná ,29 8, ,42 30, ,71 23,5 Rio Uruguai ,70 1, ,16 6, ,86 5,0 Atlântico Sudeste ,16 2, ,77 4, ,93 3,7 Total , , , Modelagens para estimativa dos potenciais hídricos e eólicos Para a elaboração do estudo de avaliação de complementaridade hídrica e eólica da bacia do Rio Verde Grande, realizaram-se as seguintes etapas metodológicas: a) Caracterização da bacia do Verde Grande quanto à área, queda bruta, etc. b) Obtenção de séries históricas de vazão, a partir de informações disponibilizadas pela Agência Nacional das Águas (ANA) no HidroWeb e séries históricas de velocidades de vento, a partir de informações de Plataformas de Coletas de Dados (PCDs) do INMET. c) Cálculo do potencial hídrico sazonalmente (mês a mês), a partir de modelos queda/vazão. Para a avaliação do potencial hídrico utilizou-se a seguinte equação: Ea=g. η. ηg. T (1-φ). q. AD. HB Eq. (1) Onde: Ea - Energia elétrica assegurada do aproveitamento hidráulico (MWméd); H B - Queda bruta do aproveitamento (m). AD - Área de drenagem da bacia hidrográfica do rio em análise (km²). q - Vazão específica média de longo termo (l/s.km²). η T - Rendimento da turbina, em torno de 90%; η G - Rendimento do gerador, em torno de 90%; φ - Perda de carga hidráulica no circuito hidráulico constituído por: tubulação, adução, túnel, canal, etc. O valor estimativo é 3% da casa de força ao pé da barragem. g - Aceleração da gravidade (9,81 m/s²). A Equação (2) apresenta como calcular a potência instalada (PI) de referência do aproveitamento hidráulico. PI = Ea/Fk Eq. (2) Onde: PI - Potência elétrica instalada do aproveitamento hidrelétrico (MWinst); Fk - Fator de Capacidade de referência do aproveitamento (0,5 a 0,6). d) Cálculo do potencial eólico sazonalmente, a partir da distribuição de Weibull das velocidades dos ventos,com base em séries históricas do CPTEC/INPE. Para a avaliação do potencial eólico, com base na série histórica de ventos e distribuição de Weibull que representa a mesma, é utilizada a Equação (3), que calcula a potência de uma turbina eólica instalada. Eq. (3) Onde: P G - 0,59,η_t,ρ_ar,A,V P G - Potência eólica gerada em (MWméd); 0,59 - Coeficiente de Betz; η t - Rendimento da turbina eólica; ρ ar - Massa específica do ar (em geral, utiliza-se o valor médio de 1,225 kg/m³); A - Área varrida pelas pás do rotor da turbina (m²); V - Velocidade do vento (m/s). O limite de Betz indica que, mesmo para os melhores aproveitamentos eólicos (turbinas de 2 ou 3 pás de eixo horizontal), recupera-se apenas um máximo de 59% da energia do vento, o que significa que Cp máximo (teórico) é 0,59. Para o levantamento da distribuição de Weibull, corrigiram-se as velocidades da séries histórica pela altura da torre, considerada para a avaliação do potencial, de acordo com a seguinte equação: Vc = Vr.( Hc Hr )α Em que: Vc - Velocidade corrigida para a altura em que se localiza o eixo da turbina (m/s) Vr - Velocidade de referência, obtida na série histórica(m/s) Hr - Altura de referência, em que se localiza o anemômetro na estação meteorológica (10m) Hc - Altura corrigida para a altura da torre (50m) α - Coeficiente de ajuste 0,2 de acordo com a norma IEC Cabe observar que os valores obtidos pela estação meteorológicas não foram corrigidos pelos efeitos de rugosidade, orografia e obstáculos, já que o local em que a estação meteorológica está instalada é semelhante, nestes aspectos, com os locais selecionados para a simulação do potencial eólico. 3. Resultados e discussão A bacia hidrográfica do rio Verde Grande está localizada entre os paralelos e de latitude Sul e meridianos e de longitude Oeste (Comitê da Bacia do Verde Grande). O rio nasce em Bocaiúva MG e tem sua foz em Malhada na Bahia, onde deságua no rio São Francisco. Sua bacia tem área de km² que abrange 8 municípios na Bahia (13% da área total) e 27 municípios em Minas Gerais (87% da área total). A população é de 741,5 mil habitantes (ano de 2007), que corresponde a cerca de 5% da população total da bacia do São Francisco. Dentro da sub-bacia do São Francisco, escolheuse o município de Espinosa-MG para a análise do potencial eólico, devido à uma menor dificuldade em se obter uma série histórica 14 Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (2), Jul,ago,set/2013, da pág

15 avaliação da complementaridade dos potenciais hídricos e eólicos sazonalmente na bacia do rio verde grande-mg TECHNICAL ARTICLES de ventos, possuindo, portanto, uma plataforma de coleta de dados anomométricos na região. A figura a seguir mostra os municípios englobados pela bacia do Verde Grande e destaca o município de Espinosa- MG: No que diz respeito às séries históricas de ventos da bacia, escolheu-se a plataforma localizada na cidade de Espinosa-MG. Conseguiram-se uma série completa com medições de quinze em quinze minutos dos últimos dois anos, fornecida pelo INMET. Com a série histórica de vazões de mais de 10 anos e aplicando as Equações (1) e (2) calcularam-se o potencial hídrico de forma sazonal, como apresenta a Figura 1. Para as estimativas do potencial eólico utilizaram-se a distribuição apresentada na Figura 3, bem como a Equação (3). A distribuição de Weibull apresenta dois parâmetros que permitem ajustar a forma e a escala da curva, em que: o fator k indica a forma de distribuição de ventos e o fator c indicando a escala. De acordo com [4] apud [7], o parâmetro c relacionase com velocidade média do vento verificada no local projetado (Vv 0,9c) quando os valores de k estão, usualmente, entre 2 e 3. Os valores das velocidades do vento obtidos são disponibilizados no atlas eólico que contém a representação de velocidades do vento (Vv) tendo como parâmetro a altura de 50m do solo e utilizando-se da modelagem numérica dos ventos de superfície terrestre (MesoMap). A Figura 3 mostra a frequência de velocidade de ventos associados à distribuição de Weibull da cidade de Espinosa-MG, situada na bacia do Verde Grande. FIG.1: Bacia do Verde Grande (Plano de Recursos Hídricos da bacia do Rio Verde Grande 2011) Segundo o Plano de Recursos Hídricos da bacia do Verde Grande estima-se que a área atualmente irrigada na bacia seja de km². A configuração da bacia é alongada, com sentido sul-norte, coincidente com o do rio principal, que sofre uma mudança para uma direção aproximada leste-oeste próxima a confluência com o rio São Francisco. A bacia possui uma altitude média de 840m, conforme pode ser verificado no mapa hipsométrico da bacia do Verde Grande, representado na Figura 2. FIG. 3: Potencial hídrico verificado na bacia do Verde Grande FIG. 2: Mapa hipsométrico da bacia do Rio Verde Grande Com a caracterização da BH em estudo realizada, em termos de área e relevo, coletaram-se as séries históricas de vazões e de ventos. A série histórica de vazões foi adquirida a partir do portal HIDROWEB ANA (Agência Nacional das Águas), acessando a estação de código , referente à bacia do Verde Grande, com dados do ano de 1969 a 2007 distribuídos mês a mês, com aferições de hora em hora registradas. FIG. 4: Frequência de velocidade dos ventos associada à Distribuição de Weibull. Para a avaliação do potencial eólico foi utilizada a Equação (8), que calcula a potência gerada para uma turbina eólica instalada. A equação do potencial eólico gerado citada anteriormente calcula o potencial dado em W para apenas uma turbina. Sendo assim, selecionou-se uma área útil de 1230 km² ou cerca de 4% da área total em que haveriam condições de se implantar parques eólicos e calculou-se o número de grupos geradores possíveis de se instalar na área em questão. Como critério foi respeitada a distância de 10 vezes o diâmetro da turbina em filas e a distância de 5 vezes o diâmetro lateral (aproximando-se a área da bacia em um retângulo para facilitar os cálculos), obtendo-se o valor de aproximadamente 2900 grupos geradores possíveis a serem instalados: Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (2), Jul,ago,set/2013, da pág

16 ARTIGOS TÉCNICOS avaliação da complementaridade dos potenciais hídricos e eólicos sazonalmente na bacia do rio verde grande-mg 4. Conclusão FIG. 5: Potencial eólico da bacia Verde Grande por turbina Considerando 2900 turbinas possíveis de serem instaladas na sub-bacia, tem-se uma nova configuração, chegando à potência máxima de 500 MW, em Agosto (melhor período de regime de ventos), como mostra a Figura 6. Para a verificação da complementaridade hídrica-eólica da bacia do Rio Verde grande, o presente estudo utilizou um modelo queda/vazão para estimativas do potencial hídrico de forma sazonal. Nas estimativas do potencial eólico utilizaram-se séries históricas de regime de afluência de ventos disponibilizadas por plataformas do INMET, além de realizar-se o estudo da distribuição de Weibull dos ventos. A partir das metodologias desenvolvidas para estimativas dos potencias hídricos e eólicos para geração de energia elétrica e séries históricas de vazão e vento, o presente estudo mostrou que existe a complementaridade hídrico-eólica de forma sazonal na bacia do Rio Verde Grande. A bacia, durante os períodos de dezembro a abril possui maior potencial hídrico a ser aproveitado, registrando índice máximo de 600 MW, no entanto, não apresenta bons potenciais durante o restante do ano, chegando a registrar índice inferiores a 15 MW. Quanto ao potencial eólico, observou-se efeitos contrários. Durante a seca a bacia apresentou seu maior potencial eólico com valor registrado de quase 550 MW, enquanto que no período chuvoso estes valores não passam de 200 MW, comprovando a complementaridade hídrico-eólica da região estudada. Este tipo de complementaridade verificada entre os potenciais, hídricos e eólicos, na sub-bacia do Verde Grande, é importante para o planejamento energético da região que permite exploração mista dos potenciais. Cabe ressaltar que essa característica, de complementaridade, sinaliza um possível perfil comum para toda a região Nordeste do Brasil, que pode ser muito interessante para o desenvolvimento de estratégias energéticas para o país. 5. Referências Bibliográficas FIG. 6: Potencial éolico da bacia Verde Grande Sobrepondo os potenciais eólicos e hídricos estimados, conclui-se que há a complementaridade hídrico-eólica na bacia estudada. A Figura 7 apresenta a complementaridade sazonal dos potenciais verificada na bacia do Rio Verde Grande. FIG. 7: Potenciais Hídricos e Eólicos, mês a mês, da bacia do Rio Verde Grande A bacia do Rio Verde Grande, durante os períodos de dezembro a abril possui maior potencial hídrico a ser aproveitado, registrando índice máximo de quase 600MW, no entanto, não apresenta bons potenciais durante o restante do ano, chegando a registrar índices inferiores a 15 MW, quando os potenciais eólicos são mais elevados. Quanto ao potencial eólico, observaram-se efeitos contrários, durante a seca a bacia apresentou seu maior potencial eólico com valor registrado de quase 550 MW, enquanto que no período chuvoso estes valores não passam de 200MW. Este tipo de complementaridade verificada entre os potenciais, hídricos e eólicos, é importante para o planejamento energético da região que permite exploração mista dos potenciais. [1] ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica, Tarifas de energia elétrica comercializadas no Brasil, [2] TOLMASQUIM, M.T., Fontes Renováveis de Energia, 1 Edição, Ed. Interciência, 2003, 516p. [3] ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica, Atlas de energia elétrica do Brasil, 2 ed. Brasília: p. [4] CRESESB - Centro de Referência para a Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito, Tutorial de Energia Eólica - Princípios e Tecnologias, [on-line]. Disponível em: < tutorial_eolica.htm>. Acesso em: 16 jul [5] ANA Agência Nacional das Águas, Plano de Recursos Hídricos da bacia Hidrográfica do Rio Verde Grande, Relatório Síntese, Brasília, [6] POLIZEL, L. H. Metodologia de Prospecção e Avaliação de Pré-Viabilidade Expedita de Geração Distribuída (GD): Caso Eólico e Hidráulico p. (Mestrado em Engenharia Elétrica) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Disponível em: < Dissert_Polizel.pdf>. Acesso em 20 de jul [7]SCHULTZ, D. J. Sistemas Complementares de Energia Eólica e Hidráulica no Brasil [on-line]. Disponível em: < pdf>. Acesso em: 21 abril [8]DENAULT, M. Complementarity of Hydro and Wind Power: Improving the Risk Profile of Energy Inflows [on-line]. Disponível em: < EnergyPolicy% pdf>. Acesso em: 14 abril [9] ABEEÓLICA Associação Brasileira de Energia Eólica, Brazil Windpower, [10] CRAIG, J. Small-scale hydropower: A methodology to estimate Europe s environmentally compatible potential, Disponível em: TP_2010_17_small_hydropower.pdf. Acesso: 02/12/2012. [11] CALDAS, M.D. Estudo do potencial eólico e Estimativa de geração de Energia de um projeto eólico na cidade do Rio de Janeiro utilizando o WindPro e o WAsP, Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (2), Jul,ago,set/2013, da pág

17 Estudos de distribuição de velocidade com técnicas de CFD para tubulação de derivação de água em sistema de abastecimento de água TECHNICAL ARTICLES Estudos de distribuição de velocidade com técnicas de CFD para tubulação de derivação de água em sistema de abastecimento de água 1 Ivan Felipe dos Santos 2 Fernando das Graças Braga da Silva 3 Geraldo Lúcio Tiago Filho 4 Regina Mambeli Barros RESUMO No presente trabalho realizou-se a simulação, através de ferramentas CFD, dos campos de velocidade em uma tubulação de distribuição de vazão em marcha por meio de tubos verticais. O estudo de grandezas de interesse na hidráulica pode se tornar difícil devido ao grande número de variáveis relacionadas e a frequente de variação destes parâmetros ao longo dos diversos pontos da geometria na qual o escoamento ocorre. As análises realizadas mostraram que as ferramentas de fluidodinâmica computacional constituem uma poderosa fonte de recursos para superação das dificuldades envolvidas, facilitando então, os estudos dos escoamentos em dispositivos hidráulicos. PALAVRAS-chave: Simulação, CFD, campos de velocidade, hidráulica. Studies on speed distribution with CFD techniques for water derivation pipe in water supply system ABSTRACT In the present work, a simulation using CFD tools of the velocity fields in a pipe of derivation distribution through vertical tubes, was done. The study of quantities of interest in hydraulics can become difficult due to the large number of related variables and the frequent variation of these parameters over the various points of geometry in which the flow occurs. The analyzes showed that the tools of computational fluid dynamics are a powerful resource for overcoming the difficulties involved, facilitating then, studies of flows in hydraulic devices. KEYWORDS: Simulation, CFD, Velocity Fields, Hydraulics devices. 1. INTRODUÇÃO 1.1. Classificação dos escoamentos e suas relações com a grandeza velocidade Os escoamentos em pressão ou forçados são aqueles que não estão submetidos à pressão atmosférica em nenhum ponto do fluxo. Nestes escoamentos a pressão exercida pelo liquido sobre a parede da tubulação é diferente da atmosférica e qualquer perturbação do regime em uma seção, poderá dar lugar a alterações de velocidade e pressão (Porto, 2006). A variação destas grandezas pode implicar em mudanças nas características de todo escoamento, o que demonstra a importância do estudo das mesmas. Escoamentos laminares são aqueles em que as partículas se deslocam em lâminas individualizadas, sendo que as trocas de partículas entre as laminas se dão a nível microscópico. Neste tipo de escoamentos qualquer tendência a formação de turbilhões é amortecida por forças viscosas que dificultam o movimento das camadas entre si. Já escoamentos turbulentos são aqueles em que as partículas apresentam um movimento aleatório, isto é, a velocidade possui componentes transversais ao movimento do fluido, cujas propriedades físicas são geralmente determinadas por médias estatísticas. Neste tipo de escoamento, ocorre então uma transferência de quantidade de movimento entre as regiões de massa liquida que tornam os perfis de velocidade do escoamento mais complexos. Como na hidráulica o liquido de trabalho predominante é a água, cuja viscosidade é relativamente baixa, os escoamentos são frequentemente turbulentos. As diferenças entre escoamento laminar e turbulento resultam, obviamente, em diferenças na distribuição de velocidade no escoamento. Por exemplo, analisando os perfis em uma seção transversal. Houthalen (2003) apresentou estas diferenças em fluxos laminares e turbulentos em uma seção transversal de um conduto circular. No escoamento laminar, a velocidade de cada camada aumenta sucessivamente até atingir um valor máximo no centro do tubo, fazendo o perfil possuir a forma de um parabolóide de revolução. Já no fluxo turbulento as partículas mais lentas próximas as paredes do tubo são aceleradas devido a uma mistura continua com as partículas de maior velocidade causadas pela turbulência. Por esta razão a distribuição de velocidades é mais uniforme e possui a forma de uma curva logarítmica. Quanto mais variáveis são consideradas mais os perfis de velocidade possuem comportamentos diferenciados tendendo a se tornarem mais complexos. Por exemplo, deve se considerar três componentes de velocidades em escoamentos tridimensionais, e em escoamentos rotacionais, deve se considerar os efeitos da vorticidade. 2 ffbraga.silva@gmail.com 3 gltiagofilho@gmail.com 4 remambeli@hotmail.com Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (3), Jul,ago,set/2013, da pág

18 ARTIGOS TÉCNICOS Estudos de distribuição de velocidade com técnicas de CFD para tubulação de derivação de água em sistema de abastecimento de água FIG. 1: Perfis de velocidade laminar e turbulento típicos em uma seção transversal de um conduto circular. Fonte: Houthalen (2003) Distribuição de vazão em marcha A distribuição de vazão em marcha ocorre quando não há constância de vazão ao longo do trecho, sendo que esta diminui ao longo do percurso. Este tipo de situação ocorre em aplicações bastante importantes da hidráulica como em redes de distribuição de água e sistemas de irrigação. No estudo de distribuições de vazões em marcha toma-se como hipótese simplificadora o fato de que vazão total consumida na linha é uniforme ao longo da linha. Isto significa que para efeito de cálculo, em cada metro linear, a tubulação distribui uma vazão uniforme q chamada vazão unitária de distribuição. Desta forma, a vazão que entra na tubulação Q sofre um decréscimo linear conforme se progride em direção a extremidade final da tubulação qx. Se ao término da tubulação de distribuição toda a água tiver sido distribuída, chamamos a extremidade final de extremidade morta ou ponta seca. Em alguns casos (como em tubulações de sistemas de irrigação por aspersão) a distribuição é feita através da ascensão da água da tubulação lateral por meio de tubos verticais acoplados a ela. Neste caso, verifica-se ocorrência de perda de carga e alterações nos campos de velocidade devido à mudança do diâmetro e contração das linhas de fluxo na passagem dos tubos. Esta situação será analisada no presente trabalho. da geometria em malhas para a solução das equações governantes. De acordo com Cipolla (2009) a malha numérica é discretização do domínio de interesse através dos nós, onde serão aplicadas as equações regentes e calculadas as variáveis para a simulação do escoamento. Dado que as equações que regem os escoamentos podem se tornar bastante complexas, as grandezas de interesse se tornam difíceis de ser obtidas analiticamente. Assim, a utilização de ferramentas de fluidodinâmica computacional é bastante proveitosa para estudos hidráulicos por permitir a estimativa destas grandezas ao longo de todo campo de escoamento Aplicações das ferramentas CFD para análise de velocidade O campo aplicações da fluidodinâmica computacional é bastante amplo e não se limita apenas a estruturas hidráulicas. Tu et al. (2008) apresenta aplicações das ferramentas CFD em campos diversos, como: ciências aéreas, engenharia de automóveis, engenharia biomédica, processo químicos, engenharia civil e ambiental, geração de energia, esportes, etc. Neto et al. (2008) realizou uma simulação numérica de escoamento em uma tubulação, enfocando uma válvula do tipo gaveta por meio do software de CFD. A partir da simulação o autor conseguiu estudar o perfil dos vetores velocidade e os campos de velocidade no acessório. Os resultados obtidos via laboratório físico, quanto os calculados a partir da teoria e os obtidos através da simulação numérica, estiveram bastante próximos, mostrando que é valida a utilização de fluidodinâmica computacional para se caracterizar campos de velocidade em dispositivos hidráulicos, além de permitir observação de fenômenos de interesse, conforme observamos os refluxos na figura 3. Fonte: Neto et al. (2008). FIG. 3: Exemplo de aplicação da ferramenta CFD: Campos de velocidade na válvula gaveta. FIG. 2: Exemplo de distribuição de vazão em marcha por meio de tubos verticais Fluidodinâmica computacional Fluidodinâmica Computacional (CFD) é o termo dado ao grupo de técnicas matemáticas, numéricas e computacionais, usadas para obter, visualizar e interpretar soluções computacionais para as equações de conservação de grandezas físicas de interesse de um dado escoamento (Correia, 2009). Estas técnicas permitem que sejam estudados todos os tipos de comportamento de um fluido no interior de uma geometria qualquer em ambiente virtual, o que proporciona agilidade e diminuição de custos em relação ao desenvolvimento de projetos (Gianelli, 2010). De forma resumida, os pacotes computacionais orientados a fluidodinâmica computacional utilizam a técnica de discretização Dias et al. (2009) obteve a distribuição de vetores em uma tubulação do tipo venturi. A figura abaixo demonstra alguns destes resultados ao longo da tubulação (onde verificamos a intensificação da velocidade na contração) e na seção de saída (onde observamos a intensificação dos vetores de velocidade rumo ao centro da seção). Fonte: Dias et al. (2009). FIG. 4: Exemplo de aplicação da ferramenta CFD: Vetores de velocidade. 18 Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (3), Jul,ago,set/2013, da pág

19 Estudos de distribuição de velocidade com técnicas de CFD para tubulação de derivação de água em sistema de abastecimento de água TECHNICAL ARTICLES 2. MATERIAL E MÉTODOS As simulações fluidodinâmicas foram realizadas no Laboratório de Informática do Instituto de Recursos Naturais da Universidade Federal de Itajubá (MG) utilizando o software ANSYS CFX. Lomax (1999) dividiu a utilização das ferramentas CFD em 4 passos: Escolha do problema e sua geometria Seleção das malhas e do método numérico a ser utilizado Seleção das equações e condições de contorno Avaliação e interpretação dos resultados. O problema a ser estudado via CFD foi o de um escoamento em uma tubulação distribuidora possuindo 2 tubulações verticais, espaçadas de 6 [m], contendo um orifício final orientado a saída da água. A geometria do problema foi criada no aplicativo e suas dimensões estão apresentadas no quadro abaixo: Tabela 1: Caracterização da geometria utilizada neste trabalho. --- Comprimento [m] Diâmetro [m] Tubulação distribuidora 7 0,1 Tubos verticais 0,5 0,020 Orifícios finais 0,001 0,008 As alturas atribuídas aos orifícios finais foram representativas, uma vez que a construção de um orifício em 2D não é reconhecido pelo software escolhido como uma saída para o escoamento. da tubulação lateral e mais refinadas ao longo dos tubos e bocais verticais. FIG. 7: Malhas selecionadas (mais rústicas ao longo da tubulação horizontal e mais refinadas nos locais de maior interesse). Já as condições de contorno foram ativadas no aplicativo setup dentro do software CFX. As variáveis escolhidas foram: Velocidades de saída em cada orifício e a pressão na seção de entrada da tubulação lateral. Escolheu-se em um primeiro momento uma vazão de distribuição de 3 [m³/hr], distribuindo 1 [m³/hr] em cada tubo vertical, resultando 1 [m³/hr] na extremidade final. Em uma segunda simulação, tomou-se a vazão de distribuição de 2 [m³/hr], sendo que não restava vazão na extremidade final a caracterizando como uma ponta seca. A velocidade de saída em cada orifício foi Vsaída = 5,5 m/s Esta primeira variável foi usada no cálculo da segunda. A pressão de entrada na linha tubulação distribuidora foi calculada utilizando-se a equação de Bernoulli juntamente com as perdas de carga ao longo do sistema: Pentrada = 10,5 mca. Para as simulações adotou-se que o escoamento era isotérmico (sem variações de temperatura) com temperatura igual a 25 C. Ainda no aplicativo Setup do CFX foram selecionados as características do solucionador (solver). O número mínimo e máximo de iterações escolhidos, foram respectivamente 20 e 500. O critério de convergência foi um resíduo menor que Após isto o aplicativo Solver no software CFX foi acionado e os resultados obtidos. A rugosidade da parede escolhida foi de acordo com Porto (2006) = 0,0015 [mm]. Fig. 5: Geometria utilizada durante as simulações. Do lado esquerdo: Vista em isométrica de toda a geometria. Lado direito: Zoom sobre o tubo vertical. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO As simulações foram realizadas no Solver do software ANSYS CFX. O tempo total gasto na 1º simulação foi de 13 minutos e 26 segundos. A Distribuição dos vetores de velocidade ao longo da tubulação para o caso inicial está apresentada na figura abaixo: FIG. 6: Geometria utilizada durante as simulações. zoom sobre o tubo vertical. Neto et al. (2008) afirmou que é importante observar que deve-se refinar as malhas, isto é, aumentar o numero de elementos na região de interesse, onde se deseja estudar mais profundamente o fenômeno (perda de carga, campo de pressão, perfil de velocidade etc). As malhas foram geradas dentro do software CFX e foram escolhidas segundo a sugestão anterior: Mais rústicas ao longo FIG. 8: Distribuição dos vetores de velocidade no sistema de tubulações (1º cenário). Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (3), Jul,ago,set/2013, da pág

20 ARTIGOS TÉCNICOS Estudos de distribuição de velocidade com técnicas de CFD para tubulação de derivação de água em sistema de abastecimento de água Observamos na figura 8 que o escoamento ocorre com baixa velocidade na tubulação lateral, e esta cresce em direção aos tubos verticais. Este fato é facilmente explicado através da equação de Bernoulli, que relaciona a quantidade de energia entre duas seções de escoamento. Como o desnível ao longo da geometria é baixo e houve uma diminuição de pressão entre a tubulação lateral e as seções mais altas, isso acarretará em um aumento da velocidade. Além disso, a vazão é constante e a redução dos diâmetros deve aumentar a velocidade para que se mantenha a equação da continuidade Q = VA. Observamos ainda que o jato explode em várias direções após o escoamento passar pelo orifício final rumo à atmosfera. A figura 9 nos permite observar o comportamento dos vetores de velocidade na proximidade dos tubos verticais. Os vetores de velocidade sofrem perturbações e se direcionam aos tubos verticais com considerável aumento de velocidade: na figura 12 uma zona de maior turbulência devido ao fato de que os vetores de velocidade do fluxo que se direciona ao tubo vertical se encontrar com os vetores do fluxo que retorna da extremidade fechada. No lado direito da figura 12, foi realizado um zoom sobre o campo de velocidades que permite observar com clareza o contraste entre os vetores que seguem em sentidos diferentes. O tempo resultante gasto pela simulação foi de 5min e 37 segundos. FIG. 10a: Linhas de fluxo nas proximidades dos tubos verticais (1º cenário). Lado direito 1º tubo. FIG. 9: Distribuição dos vetores de velocidade nas proximidades dos tubos verticais. Figura superior 1 tubo vertical. Figura inferior 2 tubo vertical (1 cenário). FIG. 10b: Linhas de fluxo nas proximidades dos tubos verticais (1º cenário). lado esquerdo 2º tubo. As análises da linhas de fluxo próximas aos tubos verticais dos bocais finais (figuras 10a e 10b e 11a e 11b) permitiram uma análise bastante interessante do comportamento hidráulico das simulações. A figura 10 mostra uma perturbação sobre as linhas de fluxo nas proximidades do tubo disposto verticalmente sobre a tubulação lateral, como se observa também na figura 9, sendo que a água se molda e sofre uma contração na entrada desta tubulação. Nesta contração de verifica uma perda de carga singular proporcional a um coeficiente de perda de carga K. As linhas de fluxo são menos intensas após o 2º tubo, devido à menor quantidade do fluxo de massa nesta região. A figura 11 por sua vez nos mostra que a velocidade das linhas de fluxo aumenta significativamente no bocal final quando ocorre a emissão do escoamento para a atmosfera. Após a alteração do 1º caso obteve-se resultados bastante a este. Uma diferença interessante é verificada nos campos de velocidade nas vizinhanças do segundo tubo vertical. Observa-se FIG. 11: Linhas de fluxo nas proximidades dos tubos verticais (1º cenário). Lado direito 1º orificio 20 Hidro&Hydro: PCH Notícias & SHP News, 58 (3), Jul,ago,set/2013, da pág