POTENCIAL DE ECONOMIA DE ENERGIA ELÉTRICA EM SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO TIPO PIVÔ CENTRAL

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1 POTENIAL DE EONOMIA DE ENERGIA ELÉTRIA EM SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO TIPO PIVÔ ENTRAL ANTÔNIO M. M. MEDEIROS 1, JOSÉ W. L. NERYS 1, ANTONIO M. OLIVEIRA 1, ENES G. MARRA 1, LUIZ F.. OLIVEIRA 2 1 Nucleo de Estudo e Pesquisa em Processamento da Energia e Qualidade, Escola de Engenharia Eletrica e de omputação, Universidade Federal de Goiás. EP , Praça Universitaria s/n, Setor Universitario, tel , GO,GOIÂNIA. 2 Nucleo de Pesquisa Solos do erado, Escola de Agronomia e Engenharia de Alimentos, Universidade Federal de Goiás. aixa Postal 131, EP , ampusii da UFG, Rod. Go-080, tel , GO, GOIÂNIA. s: 1, 1, 1, 2 Abstract The main purposes of the present work are the estimation of the potential of electric power saving in central pivot irrigation systems, using the characteristics of those systems and the financial payback considering the possibility of implementation of a control system capable of operating the central pivot system in a saving power mode. The potential of electric power saving is implemented by digital simulation using data from the real system and comparing the results for two different operating conditions: without any kind of control system and applying the control system that results in energy saving. The payback estimation consists in calculating the minimum time necessary for the resulting energy saving to pay the investiment with equipments and maintenance. Keywords- irrigation, energy efficiency, central pivot, economy of energy. Resumo O presente trabalho tem por objetivos a determinação do potencial de economia de energia elétrica em sistemas de irrigação do tipo pivô central, a partir das características desses sistemas, e a análise do retorno financeiro advindo do investimento necessário para a implementação de um sistema de controle capaz de garantir a economia de energia estimada. O levantamento do potencial de economia é implementado através de uma simulação digital de diversos sistemas de irrigação, onde as características manométricas do sistema e da bomba são comparadas para a operação sem qualquer tipo de controle e para a situação de controle que resulta em economia de energia. O retorno financeiro consiste na determinação do período de tempo necessário para pagar o investimento e a manutenção necessários, através da economia de energia resultante durante a operação do sistema sob as condições de controle automático. Palavras-chave irrigação, eficiência energética, pivô central, economia de energia 1 Introdução Um sistema de irrigação do tipo pivô central consiste em um conjunto de torres móveis que suporta uma tubulação aérea, onde se situam os aspersores responsáveis pela irrigação (Fig. 1). A tubulação aérea é conectada a um ponto central fixo, a qual por meio do movimento das torres móveis realiza a irrigação de uma área circular delimitada pelo comprimento total da tubulação (ernardo, 1989). A captação de água para um sistema de pivô central é feita através de bombas d`água, que retiram esta água de rios ou lagos. Os lagos podem ser naturais ou artificiais. Na grande maioria os lagos são artificiais e acumulam grandes quantidades de águas. Fig. 1: Esquemático de um sistema de pivô central Apesar de ser considerado um equipamento de elevado grau tecnológico, o uso crescente e desordenado desse tipo de sistema de irrigação, aliado à simplicidade ou facilidade do seu uso e operação tem resultado, pela maioria dos usuários, na não observação dos requisitos básicos para a sua correta operação (Alves, 2001 e 2002).

2 Poucos sabem determinar o momento exato da irrigação e a velocidade correta do pivô central a ser usada, resultando num excesso de irrigação e, conseqüentemente, desperdício de energia e água. Esse desperdício pode também ocorrer devido á ineficiência do próprio equipamento instalado. Essa eficiência pode ser, via de regra, melhorada pela adequação de vazão e pressão dos equipamentos instalados, usinagem de rotores de bombas, redução das perdas por evaporação e derivação devido ao vento, melhorando-se uniformidade de aplicação de água no equipamento (Alves, 2001 e 2002). 2 Metodologia O presente trabalho consiste no complemento de um outro trabalho (endes, 2004) que trata de um sistema de controle automático, ilustrado na Fig. 2, e que baseia-se no método não dissipativo que utiliza acionamento com velocidade variável para regular a rotação do motor. O citado método de controle consiste em controlar, em malha fechada, via rádio enlace, a velocidade da bomba de recalque, de um modo tal que a pressão na linha lateral é mantida sempre no valor mínimo necessário para atender as condições de projeto. No presente trabalho supõe-se a aplicação do sistema automático desenvolvido em sistemas de irrigação hoje em operação no Estado de Goiás. Na implementação em andamento três ferramentas têm sido usadas: um banco de dados com informações técnicas de um conjunto de sistemas de pivô central em operação no Estado, um programa desenvolvido para a estimação da economia que resultaria do uso do sistema automático em cada um dos sistemas cadastrados e ainda um programa desenvolvido para implementar a análise de retorno de investimento, levando-se em conta os custos de implantação e manutenção versus a economia de energia estimada com a operação automática do sistema. 2.1 omparação entre os métodos de regulação dissipativa e não dissipativa. Fig. 2. Sistema de pivô central com controle automático Os processos que utilizam bombas centrífugas possuem, em geral, uma demanda variável em função das condições topográficas e de exigências do manejo da cultura. Quando necessário alterar a vazão em um sistema de irrigação no qual se utilizam técnicas convencionais, é preciso agir na válvula de gaveta, o que modifica a curva do sistema devido à introdução de perdas de carga adicionais na instalação (ernardo, 1989 e Olitta, 1989). Este método de controle é também conhecido como método dissipativo. Há outros métodos possíveis de controle da vazão, também conhecidos como métodos não dissipativos. Estes são baseados na modificação das curvas da bomba sem as mudanças na curva do sistema, isto é, modificando a geometria do rotor ou na velocidade do eixo da bomba por meio de acionadores de velocidade variável no motor elétrico podendo ser através de: (a) uso de máquinas centrífugas com geometria variável para obter diferentes curvas para rotação constante no eixo; (b) uso de acoplamento hidráulico ou eletromecânico para regular a rotação no eixo da bomba para um motor elétrico de rotação constante e (c) uso de acionamentos elétricos de velocidade variável para regular a rotação do motor e então a rotação no eixo da bomba. As relações que permitem predizer o desempenho de uma bomba trabalhando em rotações diferentes daquelas do ponto de projeto são conhecidas como relações de Rateaux (Alves, 2002), uma variação na rotação da bomba implica basicamente em três fatores importantes: A capacidade de vazão Q varia diretamente com a mudança da rotação (equação 1). Figura 1: Sistema de pivô central com controle Fig. 3. Ação da válvula de estrangulamento e da variação da rotação da bomba. A altura manométrica total H varia com o quadrado da rotação (equação 2).

3 A potência P varia com o cubo da rotação (equação 3). Q n Q n H H P P 2 n n 3 n n (1) (2) (3) Seja um dado sistema de bombeamento genérico, representado pela figura 3, operando com vazão Q 1 e altura manométrica H A (ponto A). Supondo-se que o conjunto moto-bomba foi especificado para atender o ponto A, correspondente à vazão Q 1, mas trabalhe grande parte do seu tempo de operação com vazão Q 2, sendo Q 2 menor que Q 1. onsiderando-se que o controle da vazão seja realizado através de estrangulamento em uma válvula, então o novo ponto de operação será, com vazão Q 2 e altura H. Por outro lado, optando-se por realizar o ajuste da nova vazão Q 2 e altura H c, verifica-se, que H é maior que H, o que permite afirmar que, de acordo com a equação 4, a potência economizada, se fosse realizada o controle da rotação ao invés do estrangulamento na válvula (Tiago, 1996 e Hanson, 1996), é função da diferença H H - H. 2.2 Regulação dissipativa. Modificando a curva do sistema para rotação constante pela introdução de uma válvula estranguladora, o novo ponto de operação, considerando a presença da válvula, é então o ponto: (Q 2 ; H ; ), Q H ρ g P (4) Em que, Q - Vazão reduzida com ação da válvula estranguladora, (m 3 /s); H - Pressão para a vazão Q com uso da válvula estranguladora, (kpa); - Rendimento da bomba nas condições do ponto ; P Potência necessária a bomba no ponto, (W). g - aceleração da gravidade, 9,81 m/s 2 ; ρ - massa especifica da água, 1000kg/m 3 ; 2.3 Método não dissipativo. Variando a rotação no eixo da bomba, conseqüentemente a curva da bomba, até a mesma cruzar com a curva do sistema no ponto de operação desejado (Q 2 ; H ; ), P Q H ρ Em que, Q c - Vazão reduzida pela variação de velocidade do eixo da bomba, (m 3 /s); H c - Pressão para a vazão Q c provocada pela variação da velocidade do eixo da bomba, (kpa); c - Rendimento da bomba nas condições do ponto ; P c Potência mecânica necessária o ponto, (W). 2.4 Potência e energia economizada. O valor do rendimento da bomba nos pontos e pode ser calculado a partir das curvas fornecidas pelos fabricantes ou através de ensaios em laboratório (Arens e Porto,1989 e Yanagi,1997). O uso do método adotado de regulação não dissipativa resulta em redução de potência e de energia proporcionais à diferença de pressão dos pontos e (equações 6 e 7). Testes de campo indicam não haver variação significativa entre os rendimentos da bomba nos dois pontos considerados e, portanto, adota-se c. onsidera-se ainda que a vazão é mantida constante, condição necessária para atender os requisitos básicos do projeto. Assim, Q Q c Q 2. Q2 ( H H ) ρ g P P P (6) EON Em que, Q 2 - vazão reduzida no ponto e, (m 3 /s); P EON - potência economizada. no uso de método de regulação não dissipativo, (W). E Q2 ( H H ) g 3 EON t 10 t - tempo de operação no novo ponto de operação, com vazão Q 2 (h). EEON - energia economizada em (kwh). No gráfico da Fig. 3 fica evidente que, para uma mesma vazão Q 2, a potência P necessária para operação no ponto é menor que P, necessária para operação no ponto. g ρ (5) (7)

4 3 Determinação do Potencial de Economia O procedimento para a obtenção do potencial de economia de energia elétrica na irrigação com pivô central adota como princípio a comparação entre um sistema automático onde a velocidade da bomba é controlada para atender as condições mínimas de projeto e um sistema onde o conjunto moto-bomba opera na velocidade nominal ao longo de todo o período de irrigação. Supõe-se ainda que o sistema de pivô central original foi projetado para operar no limite do pior caso, ou seja, não há sobre-pressão na linha lateral quando a extremidade externa da linha lateral estiver no seu ponto mais alto. O resultado da análise implementada é uma previsão da menor economia possível, pois não leva em conta que os sistemas atualmente em operação apresentam normalmente situação de sobre-pressão ao longo de todo o período irrigado. O banco de dados formado para o estudo em andamento permite, por exemplo, a classificação dos pivôs centrais pela área irrigada e pela inclinação do terreno. A inclinação do terreno é um fator particularmente importante porque foi verificado em (Alves, 2001) e (endes, 2004) que, para um mesmo conjunto de equipamentos, a economia de energia é maior quanto maior a inclinação do terreno. Isso justifica-se pelo maior desnível entre o ponto central e o ponto mais externo, que será compensado pelo uso de acionamento de velocidade variável. Assim, a análise é feita para sistemas de pivôs centrais com diferentes graus de inclinação do terreno. O banco de dados formado conta atualmente com o cadastrado de 178 sistemas de pivôs centrais, de um total estimado de cerca de 2000 pivôs no Estado de Goiás. A Fig. 4 mostra a classificação dos pivôs cadastrados quanto à inclinação do terreno. Verifica-se que 63% desses pivôs estão instalados em terrenos com inclinação superior a 8 mca, que significa potencial para economia de energia elétrica no caso de ser adotado o sistema de controle desenvolvido. Distrbuição de Pivos em Relação a Inclinação doterreno (mca) 28% 37% 35% Inclinacao < 8mca 8mca < Inclinacao < 15mca Inclinacao > 15mca Fig. 4: lassificação quanto à inclinação do terreno O programa desenvolvido para a estimação da economia possível de energia usa os dados cadastrados para traçar as curvas do sistema e da Fig. 5. urvas do sistema e do conjunto de bomba para a menor economia. Fig. 6. urvas do sistema e do conjunto de bomba para a maior economia. bomba para a operação em condições nominais e para a operação em condições de velocidade reduzida, atendendo as condições mínimas de projeto, quanto à vazão e à pressão nos aspersores. Assim, um novo ponto de operação é determinado para cada posição do pivô ao longo da linha lateral. A mudança do ponto de operação seguindo os princípios da regulação não dissipativa implica na economia de energia esperada. As Fig. 5 e 6 ilustram o procedimento descrito. A Fig. 5 representa o sistema que apresentou a menor economia prevista, 0,54% e a Fig. 6 representa o sistema com maior potencial de economia, 20,05%. Em ambas as figuras as curvas de índice1 representam as curvas em condições nominais e aquelas com índice 2 são para o sistema operando nas condições de alívio previstas para as regiões mais baixas do terreno. A curva da bomba é obtida a partir de dados dos fabricantes de cada bomba, sendo montado um polinômio para cada bomba. A curva do sistema é obtida a partir dos dados cadastrados e obedece à equação 8:

5 2 H sistema kq + H G + H pcpa (8) Q - Vazão (m 3 /s) H sistema - Pressão do sistema (mca) H G Desníveis e perdas diversas (mca) Hpcpa desnível do centro do pivô ao ponto mais alto (mca). A tabela 1 mostra os resultados da economia estimada de energia elétrica para quatorze pivôs selecionados. A linha 13 representa a simulação para um pivô instalado no município de Santa Izabel de Goiás, onde foi medido o consumo de energia para uma volta completa do círculo irrigado. O consumo medido foi de 2829,37 kwh para operação nominal e de 2501,28 kwh para operação com rotação reduzida, o que representou uma economia de 328,09 kwh, ou seja, 11,60 %. O valor estimado para esse mesmo caso, a partir dos dados de projeto, foi de 11,98%, o que representa um erro de 3,20% do valor estimado para o valor efetivamente medido. Tabela 1. Quadro demonstrativo de desnível, potência por área e percentual de economia de energia Pivô Desnível do Ponto entral ao Economia Estimada de Potência/Área (cv\ha) Ponto mais Alto do pivô (mca) energia elétrica(%) 1 9,46 1,39 14, ,18 1,87 12,05 3 7,00 2,76 5,45 4 0,50 1,98 0,54 5 2,00 1,45 2, ,91 2,51 20,05 7 6,92 4,37 6,68 8 6,00 1,57 10, ,20 2,20 14, ,94 3,45 10, ,00 1,60 10, ,77 2,09 16, ,63 10,29 6, ,00 2,04 11,98 4 Análise de retorno financeiro A análise financeira realizada utiliza a teoria de custos para a avaliação de retornos econômicos do capital investido em serviços e equipamentos, supondo a implementação do sistema de controle descrito anteriormente. A avaliação consiste da comparação entre os benefícios e os custos, ambos anuais. Os benefícios são calculados a partir da redução das despesas com energia elétrica resultantes do uso do sistema automático ao longo do ano. Este cálculo consiste da determinação da redução de potência produzida pelo sistema automático e da economia de energia resultante ao longo do período de funcionamento durante o ano, e ainda considerando a tarifa de energia. Na avaliação é considerada uma taxa de juros de 16% ao ano, taxa SELI. A vida útil considerada para os equipamentos usados, conforme fabricante, é de 15 anos. Para a análise de viabilidade econômica, objetivando a aquisição e implementação de técnica de controle eletrônico, para os sistemas considerados, utiliza-se de duas condições de implementação: (a) Substituição do sistema de acionamento convencional, neste caso não se considera a recuperação de capital com a possível venda dos materiais e equipamentos substituídos e (b) Implementação de projeto novo, neste caso o gasto com equipamento e mão de obra do dispositivo eletrônico, subtrai-se do gasto que se teria com a técnica de acionamento convencional. Foram realizados orçamentos do preço de mercado do inversor e dos quadros de acionamento convencionais e mão de obra. Foram estimados os custos da mão de obra e dos acessórios para viabilidade do controle eletrônico. O resultado das simulações implementadas é mostrado na tabela 2 para os 14 pivôs escolhidos. A metodologia utilizada na determinação do retorno financeiro segue orientação do manual para elaboração do programa anual de combate ao desperdício de energia elétrica (ANEEL, 2000). Assim, a expressão 9 é usada para o cálculo da relação custo benefício (R). Investimentos Anualizados R (9) enefícios

6 Tabela2. Quadro demonstrativo do Retorno financeiro anualizado do investimento. pivô Potencia do Potência do Inversor Preço de mercado Retorno financeiro do investimento motor (V) de freqüência(v) do inversor(r$) Números de meses Números de anos ,00 10, ,00 11, ,00 14, ,00 128, ,00 29, ,00 3, ,00 14, ,00 13, ,00 6, ,00 7, ,00 5, ,00 5, ,00 7, , onclusão Uma das propostas deste trabalho é verificar o potencial de economia de energia elétrica em sistemas de irrigação tipo pivô central para diversas inclinações de terrenos. Verificou-se que a economia de energia elétrica ficou em média 10,81% para os pivôs analisados e para um desnível médio de 10,49mca. Verificou-se ainda que a inclinação do terreno é determinante no percentual de economia. A próxima fase nesta etapa é a validação experimental com um número maior de sistemas e a automatização do processo de estimação, de modo que todos os pivôs cadastrados sejam analisados automaticamente. A outra proposta é a verificação de viabilidade econômica para a implantação do sistema que resulte na economia prevista. Verificou-se que, para a maior parte dos sistemas analisados, o tempo de retorno financeiro é de 2 ou 3 anos, o que pode justificar o investimento. Agradecimentos Os autores agradecem à ompanhia Energética de Goiás (ELG) pelo financiamento do projeto e à Fundação de Apoio à Pesquisa (FUNAPE) pelo apoio para apresentação do mesmo. Referências ibliográficas Alves, A. J. (2001). Inversor de Freqüência Uma ferramenta para o acionamento e racionalização do consumo de energia elétrica em sistemas de irrigação a pivô central, oordenação Pós- Graduação da Escola de Engenharia Elétrica e de omputação, Universidade Federal de Goiás. Alves, A. J.; outinho, L. F. O. e Melo, A. O. (2002). Verificação das relações de rateaux pelo emprego de um inversor de freqüência, Revista brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental,V.6, n.3, p ANEEL(2000). Manual para elaboração do programa anual de desperdício de energia elétrica, rasília, 38-46p. Arens, H. G. e Porto, R. M. (1989). Para o desempenho de bombas, Revista DAE, São Paulo,V.49,n ernardo, S. (1989). Manual de irrigação, 5 ed. Viçosa-MG, UFV,596p. endes, F., (2004). Proposta de Automação de Sistemas de Irrigação com Pivô entral aseados em Microprocessadores, oordenação Pós-Graduação da Escola de Engenharia Elétrica e de omputação, Universidade Federal de Goiás. Hanson,b.;Weigand,,;Orloff,S. (1996).Performance of eletric irrigation pumping plants using variable frequency drives, Journal of irrigation and dranage engineering,new York, V.122, n.3, p Olitta, A. F. L. (1989). Os métodos de irrigação, Nobel, São Paulo,1ed., p.267. Tiago, F. G. L. ( 1996). Uso de bombas com rotação variável, Mimeografado,Itajubá, EFEI, p.19. Veiga,L. J.,(2004). Irrigação provoca desperdicio de energia em Goiás, Gazeta Mercantil,26 de janeiro,-14p. Yanagi, Jr. T.;Ferreira, E.; olombo, A.; Mello,. R. (1997). Método matemático para a estimativa analítica das curvas de desempenho de bombas centrífugas. Revista iência e Agrotecnologia, lavras, V.21,n.4,p

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