REATIVAÇÃO DE MINI CENTRAL HIDRELÉTRICA, COMO FONTE RENOVÁVEL DE ENERGIA E USO MULTIDISCIPLINAR EM PARQUES MUNICIPAIS DE LONDRINA-PR.

Transcrição

1 REATIVAÇÃO DE MINI CENTRAL HIDRELÉTRICA, COMO FONTE RENOVÁVEL DE ENERGIA E USO MULTIDISCIPLINAR EM PARQUES MUNICIPAIS DE LONDRINA-PR. J. Fernando Mangili Jr. 1, Carlos A. Mariottoni 2, Paulo S. F. Barbosa 3 1 Universidade Estadual de Londrina DEEL/UEL Rod. Celso Garcia Cid - PR 445, km 380 CEP: Londrina PR - mangili@uel.br Doutorando em Recursos Hídricos, Energéticos e Ambientais GPESE/FEC-UNICAMP 2,3 Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Departamento de Recursos Hídricos GPESE-Grupo de Planejamento Energético e Sistemas Elétricos da FEC/NIPE-UNICAMP Resumo Este trabalho objetiva apresentar alternativas de reaproveitamento do potencial hidráulico de mini central hidrelétrica, desativada há mais de 40 anos, localizada no parque municipal Arthur Thomas em Londrina - PR. Sua energia elétrica gerada, a partir dessa fonte renovável e reaproveitada, deverá ser utilizada para realizar a iluminação pública (IP) das áreas de lazer dos parques que se encontram na margem do ribeirão, dentro do limite urbano do município e seus antigos equipamentos de geração deverão ser restaurados para a utilização em um museu da história da eletricidade da cidade, em conjunto com um centro de palestras temáticas para o uso eficiente da energia elétrica e questões ambientais, todos a serem restaurados ou construídos dentro do parque Arthur Thomas, para a utilização de munícipes e visitantes. Palavras-chave Mini Central Hidrelétrica, Fonte Renovável de Energia, Reaproveitamento Hidráulico em área Urbana.

2 Abstract This study aims to present alternatives for reuse of the hydroelectric potential of mini hydro plant, disabled for more than 40 years, located in the Municipal Park Arthur Thomas, in Londrina PR. Its electricity generated from this renewable and recycled source should be used to perform the public lighting (IP) of the recreational areas of the parks located around the stream of the Cambé river within the city limits of the Londrina and its older generation equipment should be restored for use in a museum of city's electricity history, together with a center of thematic lectures for efficient use of energy and environmental issues, all to be restored or built for use of residents and visitors, inside Arthur Thomas Park. Keywords Mini Hydro Power, Renewable Source of Energy, Hydraulic Reuse in Urban Area. 1. INTRODUÇÃO As pequenas e especialmente as minicentrais hidrelétricas, que foram muito difundidas e utilizadas para geração de energia elétrica quando da implantação e expansão das cidades brasileiras da primeira metade até meados do século passado, foram paulatinamente substituídas e desativadas à medida que grandes usinas hidrelétricas passaram a fazer parte da matriz energética brasileira de forma definitiva a partir da década de 70. Com isso essas mini usinas geradoras de energia foram relegadas a segundo plano ou mesmo abandonadas, sem manutenção ou reaproveitamento de qualquer espécie. No entanto, suas infraestruturas, antigamente localizadas em áreas rurais e atualmente próximas de centros consumidores urbanos, nem sempre foram destruídas ou removidas para devolver ao seu local de instalação as características ambientais originais, mantendo na maioria delas, as barragens, áreas alagadas, desvios de leitos de rio, canais de adução etc., sem utilização para fins de geração de energia, tornando-se um ativo financeiro desprezado por seus proprietários. Nos últimos anos, com o agravamento da crise energética concomitantemente com a crise hídrica, estas mini centrais geradoras ressurgem como sendo mais uma alternativa para geração de energia elétrica, de fonte renovável e de impacto ambiental baixíssimo ou nulo. Sendo assim, sua reforma e recuperação com a substituição de equipamentos e dispositivos de tecnologia moderna podem vir a amplificar sua capacidade geradora original, voltando a ser uma fonte de renda quer seja pela comercialização da energia gerada ou pela

3 exploração turística além de propiciarem a possibilidade do resgate histórico da geração de energia e eletricidade do país. Figura 1 Vista aérea do Parque Arthur Thomas (local da usina) e demais Parques municipais (Lagos Igapó I e II). (Fonte: Googlemaps, 2015) A Usina Cambézinho, localizada no parque municipal Arthur Thomas (figura 1), atualmente dentro do perímetro urbano do município de Londrina-PR, foi construída pelos engenheiros Gastão de Mesquita Filho e André Kotchetkoff e inaugurada em janeiro de 1939, com o aproveitamento de uma queda d água de aproximadamente 50 metros (figura 2) e 160 kw de potência nominal, abastecia metade da cidade de Londrina, a outra metade era abastecida por grupos geradores térmicos da Empresa Elétrica de Londrina Sociedade Anônima (EELSA). Foi desativada em (a) (b) Figura 2: Construção da Usina Cambezinho, barragem sem o lago (a) e casa de máquinas (b). (Fonte: Zuliani).

4 Em 1988 foi restaurada, numa tentativa de reativá-la, no entanto, sem funcionários qualificados não pode ser colocada em operação. Abandonada, seus equipamentos foram depredados ou se deteriorando ao longo dos anos e atualmente se encontram sem condições de recuperação para funcionamento, apenas para resgate do valor histórico. (a) (b) Figura 3: Vistas atuais da Usina Cambezinho: Barragem com o lago (a) e casa de máquinas ampliada (b). (Fonte: Autor). Com a finalidade de reativar essa mini central hidrelétrica, está sendo proposta uma substituição dos equipamentos de geração antigos e reforma destes como patrimônio histórico e o dimensionamento de novos equipamentos para geração de energia elétrica, recuperação da barragem, canais e dutos. Especificamente para atender o objetivo deste trabalho, dentro dos estudos sobre fontes de energia renováveis, o foco da análise serão os cálculos do potencial hidráulico, para o referido aproveitamento energético para fins de geração de energia elétrica. Por se tratar de reaproveitamento de uma instalação antiga, com reutilização de toda a infraestrutura existente como barragem, canal de adução, conduto forçado e casa de força, serão realizadas limpezas, obras de recuperação em alvenaria e ferragens (comportas, grades de proteção) etc., sendo redimensionados apenas: turbina, gerador e equipamentos elétricos auxiliares. Os estudos de viabilidade estão sendo realizados em três etapas, sendo que na primeira etapa estão sendo consideradas as análises técnicas específicas para se determinar a capacidade de geração em função da vazão do ribeirão, da queda líquida disponível e dos equipamentos (turbina e gerador) a serem utilizados. Duas etapas subsequentes deverão ser desenvolvidas: - a especificação detalhada de equipamentos e

5 serviços; - análise de investimentos com cronograma de execução, perfazendo o rol de projetos e planejamento das obras. Quanto ao projeto como um todo, uma vantagem para execução do mesmo, quanto à sua viabilização em termos de recursos financeiros, é a possibilidade de se alocar valores proporcionais à receita oriunda do tributo COSIP (Contribuição para Custeio do Serviço de Iluminação Pública, garantido pela constituição e em vigor), relativo à Iluminação Pública instalada nos parques municipais a serem iluminados. Outra vantagem considerável acerca deste reaproveitamento, uma vez que não se pretende alterar significativamente a infraestrutura existente, é a ausência de impacto ambiental adicional e consequentemente a ausência da necessidade de se realizar seus estudos para posterior aprovação em órgãos ambientais específicos. Todos os impactos ambientais significativos a este tipo de empreendimento já tiveram seu efeito quando da construção da usina (fig. 2) e o meio ambiente do entorno já foi totalmente recuperado ao longo dos anos (fig. 3). Finalmente, a possibilidade desse projeto se tornar modelo para reaproveitamento sustentável de potenciais hidráulicos abandonados em regiões urbanas ou rurais dos municípios brasileiros. 2. DESENVOLVIMENTO 2.1 Dados do local e Estudos preliminares Os dados técnicos preliminares para dimensionamento do sistema de geração são: -Tipo de central quanto à capacidade de regularização do reservatório: Central Hidroelétrica a Fio D água (vazão mínima do rio maior que a descarga necessária à potência instalada de demanda); -Captação da água através de pequena barragem, desprezando-se o volume do reservatório, com aproveitamento energético parcial do local, dispensando estudo de regularização de descarga, estudos sazonais de carga do consumidor, figuras 2 (a) e 3 (a). -Levantamento topográfico: Não há necessidade de levantamento detalhado da área do reservatório, podendo ser feito pela determinação do contorno da área inundada, pois não há necessidade de determinação da curva áreas versus volume do reservatório.

6 -Tipo de canal adutor: Sistema aberto livre por canal de baixa profundidade trapezoidal (predominância do trajeto) e adução final através de conduto forçado (cerca de 60m do trajeto). (a) (b) Figura 4: (a) Barragem e Canal adutor; (b) Equipamentos da Casa de Força/Máquinas a serem recuperados e removidos para patrimônio histórico. (Fonte: Autor). -Câmara de carga: De pequeno volume (a redimensionar, se necessária). -Chaminé de equilíbrio: Não se aplica. -Conduto forçado: Tubulação de ferro fundido com mais de 40 anos de uso, diâmetro interno aproximado de 0,80 metro e cerca 60 metros de extensão, apoiado na encosta, acompanhando o relevo com inclinação aproximada entre 55º e 57 o e desnível de 50 metros até a tomada de água na boca da turbina (dados do projeto original e confirmados em campo). - Vazão do ribeirão: Q=0,44015 m 3 /s a 0,65330 m 3 /s. - Casa de força: localizada no banco do ribeirão Cálculo das quedas e perdas: Para o cálculo das quedas d água aproveitáveis, considerar-se-á inicialmente a queda bruta, denominada por H b (altura do desnível existente entre o leito do rio na barragem e o piso da casa de força) com valor aproximado de 50 metros, Hb = 50 m. Cuja energia bruta (E b ) correspondente é dada por:

7 E b = 9,81 x H b (1) E b = 9,81 x 50 = 490,5 J/kg. A queda disponível, ou altura de queda d água líquida, é dada por: H d = H b H p (2) onde: Hp refere-se às perdas de energia oriundas do atrito da água ao escoar no interior do conduto forçado e pode ser calculada através da equação de Hazen-Willians, da seguinte forma: H p = 10,643 x Q 1,85 x ħ (-1,85) x D (-4,87) x L (3) onde: Q é a vazão em m 3 /s, ħ é o coeficiente de Hazen-Willians, D é o diâmetro do conduto (tubo) em m e L é o comprimento do tubo em m. Para o conduto forçado de ferro fundido com 40 anos de uso o coeficiente ħ varia entre 64 e 83. Assim tem-se que: H p = 10,643 x 0,55 1,85 x 83 (-1,85) x 0,8 (-4,87) x 60 = =10,643 x 0,331 x 2, x 2,964 x 60 = 0,176 m. Substituindo os valores em (2), tem-se: H d = 50 0,176 = 49,82 m, que é a altura de queda d água líquida disponível. Para tanto, a energia líquida disponível (E d ) correspondente é dada por: E d = 9,81 x H d (4) E d = 9,81 x 49,82 = 488,77 J/kg Cálculo das potências dos equipamentos de geração: A potência bruta (P b ) é dada pela seguinte equação: P b = E b x Q (5) P b = 490,5 x 0,55 = 269,77 kw A potência hidráulica ou disponível (P h ) é dada pela equação: P h = E d x Q (6) P h = 488,77 x 0,55 = 268,82 kw A potência no eixo (P eixo ) da turbina, considerando um rendimento (ƞ) de 0,92, é dada pela equação: P eixo = P h x ƞ (7) P eixo = 268,82 x 0,92 = 247,31 kw

8 A potência elétrica (P el ) do gerador, considerando um rendimento (ƞ) de 0,96 é dada pela equação: P el = P eixo x ƞ (8) P el = 247,31 x 0,96 = 237,42 kw Assim, obtemos a potência elétrica do gerador que deverá ser de 237 kw que ao fator de potência de operação de 0,92 resulta em uma potência instalada de 258 kva (60Hz). Prevê-se inicialmente gerar em 380 volts, trifásico, para posterior elevação a 13,8 kv e distribuição (detalhes na especificação do gerador) Especificação da Turbina a ser empregada: Com os dados da potência hidráulica, em kw e vazão, em m 3 /s, obtém-se que a turbina a ser instalada, a qual melhor se adapta é do tipo Francis com rotor de pás fixas (vazão constante), eixo horizontal, caixa espiral, com potência na faixa de utilização entre 200 e 250 kw, conforme ábaco (Eletrobrás) de tipos de turbinas e suas potências em função de vazão e queda disponíveis Especificação do Gerador a ser empregado: A partir do valor da potência no eixo da turbina e dos rendimentos e fator de potência do sistema de geração, obtém-se o Gerador a ser instalado o qual será do tipo síncrono, aberto, potência nominal na faixa entre 220 e 550 kva, velocidade nominal na faixa de a rpm, 4 polos, tensão terminal de 380 volts, trifásico, frequência 60 Hz, classe de proteção IP 44, classe de isolamento F ou H, Mancal único (single bearing), montagem horizontal com acoplamento por discos flexíveis e flange, fixação na base através dos pés e caixa de ligação no topo (fabricante WEG). Os equipamentos elétricos adicionais a serem especificados são: Regulador de Tensão; Transformador elevador a óleo com tensões trifásicas de 380V:13,8kV; Quadros de Comando, Proteção; Chaves seccionadoras; Cabeamento; Supervisão e Controle (sistema supervisório para monitoramento remoto); Posteamento; Ferragens etc.

9 Carga instalada a ser atendida pela usina: Demanda: Iluminação Pública (IP) dos parques: Arthur Thomas, Lago Igapó I e II (com possibilidades para III e IV). Atualmente estão sendo realizados de forma concomitante os projetos de revitalização e eficientização da iluminação pública dos parques, substituindo-se as atuais lâmpadas de vapor de mercúrio de 125W e 250W por lâmpadas de 50W de LED, proporcionando uma redução significativa no consumo de energia com ganho sobre os atuais níveis de iluminamento, aumentando a segurança dos usuários Museu e Centro de palestras: Instalado dentro do Parque Arthur Thomas, o centro de educação ambiental deverá ser expandido com um edifício em madeira de reaproveitamento e alvenaria, construindo-se um museu para receber os equipamentos restaurados da antiga usina para exposição permanente da história da eletricidade da cidade de Londrina. Estes ambientes serão utilizados para realização de palestras temáticas sobre consumo consciente e sustentável de energia e recursos ambientais, para estudantes do ensino fundamental e médio da rede pública e privada e para a comunidade em geral, agregando valor turístico, educacional e social ao parque. Figura 5: Centro de educação ambiental, local da futura expansão com a inclusão do museu da eletricidade. (Fonte: Viajeaqui, Ed. Abril, 2015).

10 3. CONCLUSÃO Os levantamentos e os cálculos realizados permitiram obter resultados de potência disponível com um ganho de potência gerada de 48% em função do aumento da eficiência dos sistemas turbina-gerador atuais em relação aos da década de Diante do exposto, com o reaproveitamento de parte da infraestrutura existente, e sem mudanças no projeto atualmente implantado, há um significativo ganho sob o ponto de vista financeiro e ecológico, pois o primeiro remete à dispensa de recursos financeiros para construção de barragem, canal de adução, conduto forçado, casa de máquinas, acessos, restando apenas investimentos em recuperação da infraestrutura existente e o segundo evita a necessidade de realização de pareceres técnicos de impacto ambiental por não se aplicar ao caso ou por ser este de valor mínimo e assim não necessitar das respectivas autorizações de implantação da usina. Portanto, ainda sem detalhamento financeiro de todo o empreendimento e análise do retorno de investimento é possível afirmar que a alternativa de reaproveitamento dessa energia renovável para suprir parte da demanda do município é viável e ainda trará um impacto social positivo, pois será capaz de prover energia elétrica para iluminação de espaços públicos, permitirá a criação de um museu da eletricidade e permitirá a realização de palestras educativas para o uso racional e sustentável da eletricidade e recursos energéticos. Finalmente, como estão sendo mapeadas outras usinas abandonadas em parques do município, com as características aqui apresentadas, serve este trabalho como roteiro básico para análises de suas viabilidades, ampliando a envergadura do projeto. 4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEEL, Agência Nacional de Energia Elétrica. Guia do empreendedor de pequenas centrais hidrelétricas. Brasília: ANEEL, p. MME, Ministério de Minas e Energia. Manual de Mini Centrais Hidrelétricas. Rio de Janeiro, RJ, ELETROBRAS Centrais Elétricas Brasileiras, PML, Prefeitura Municipal de Londrina - PR. Parque Municipal Arthur Thomas. Disponível em < Acesso: 19/03/15. WEG Geradores. DT-5 Características e Especificações de Geradores. Disponível em Acesso: 23/03/15.