UNIVERSIDADE PAULISTA

UNIVERSIDADE PAULISTA ANDERSON CORREA CAIO MUNIZ DE SANTANA CYNTIA MATTEUCCI DIEGO GOMES SANTOS ÉRICA WILMA DOS SANTOS LEONARDO DOS SANTOS BRAGA LUCAS FERREIRA ROCHA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE ENERGIA HIDRÁULICA COM APLICAÇÃO PREDIAL SANTOS 2017

GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA POR MEIO DE ENERGIA HIDRÁULICA COM APLICAÇÃO PREDIAL RESUMO As alterações climáticas impactam na geração de energia hidrelétricas motivando a racionalização do abastecimento de água e sobretaxa no consumo de eletricidade. Este trabalho apresenta um projeto para transformar a energia hidráulica da água recebida pela linha de abastecimento em energia elétrica, antes de ser armazenada na cisterna de um prédio residencial. As metodologias usadas foram teoria de mecânica dos fluidos e teoria de captação e distribuição de energia, o que resultou na seleção de uma bomba centrifuga que funciona como turbina. Para as condições do prédio estudado, é possível, gerar 1,34 kw e produzir 241,56 kw/mês. O projeto é economicamente viável, sustentável, colabora com a otimização do uso dos recursos hídricos e a sua aplicação seria de proveito de toda a comunidade PALAVRAS-CHAVE: Sustentabilidade. Recursos Hídricos. Otimização no uso da água. 1 INTRODUÇÃO Segundo a Matriz Energética Brasileira 2030 lançada em 2007 pelo Ministério de Minas e Energia, o Brasil possui a maior reserva hídrica do mundo e de forma associada, conforme o boletim de informações gerenciais da Agencia Nacional de Energia Elétrica (Aneel) de dezembro de 2015, 71,7% da nossa energia elétrica é proveniente de hidrelétricas. Além disso, o reflexo das alterações climáticas no Brasil e no mundo tem forte impacto nesta forma de geração de energia. Em exemplo recente, a diminuição incomum das chuvas nos anos de 2014 e 2015 causaram medidas drásticas no sudoeste do Brasil como a racionalização do abastecimento de água e sobretaxa em casos de consumo de eletricidade além do estabelecido pelas empresas de distribuição de energia. 1

A existência desses problemas justifica a busca por novas alternativas de geração de energia bem como novos olhares para aplicações tradicionais, explorando também, novas fontes de energia. A energia é um conceito básico muito estudado na engenharia. Não é criada e nem destruída, somente convertida ou redistribuída de uma forma para a outra. Exemplo, a energia hidráulica (mecânica) em energia elétrica. Ao entendermos a energia, estamos nos conscientizando de que os recursos energéticos têm suas limitações, como por exemplo, consequências ambientais (HINRICHS, MERLIN, LINEU, 2011). Além do esforço do governo e de grandes corporações para gerar energia através de fontes alternativas como a energia solar, eólica e biomassa, há também um crescente incentivo para que o consumidor busque alternativas na outra ponta, como o Programa de Desenvolvimento da Geração Distribuída de Energia Elétrica (ProGD) que compensa, em forma de créditos, a energia gerada além do que foi consumido e entregue à central de abastecimento Existe uma crise energética no país que pode ser amenizada extraindo eletricidade de fontes até então desperdiçadas. 1.1 OBJETIVO O objetivo é apresentar um projeto capaz de transformar a energia hidráulica da água recebida pela linha de abastecimento da SABESP em energia elétrica, antes dela ser armazenada na cisterna de um prédio residencial. 2 METODOLOGIA E MATERIAIS Para exemplificar a aplicabilidade do projeto de transformar energia hidráulica em energia elétrica foi selecionado em função do consumo de água um edifício na cidade de Santos, SP com 16 andares, 25 apartamentos por andar, onde residem aproximadamente 500 pessoas. A 2

água do prédio chega por uma tubulação e fica armazenada em cisternas. Uma bomba elevatória conduz essa água das cisternas até caixas d água instaladas na parte superior do prédio para só então esta água ser distribuída para os apartamentos (Figura 1). Figura 1 Sistema hidráulico predial Para especificar os equipamentos eletromecânicos, tubulações, válvulas, entre outros, identificouse a necessidade de conhecer a vazão, a pressão, a altura de coluna d água na entrada da cisterna e a potência hidráulica gerada no prédio. As propriedades hidráulicas foram baseadas nas literaturas de Brunetti (2008) e Pereira (2015). Para quantificar a vazão (Q) conforme a Equação 1 foram realizadas, no prédio, medições dessas variáveis. O estudo aproveitou manômetro instalado na entrada do prédio para obter a pressão (P) e a partir desse dado e do peso específico ( água =10.000 N/m 3 ), foi calculada (Equação 2) a altura de coluna d água (H). Q = Volume (1) tempo H = Pressão (2) água 3

A potência associada à energia hidráulica pode ser definida pela Equação 3 onde é a densidade ( água = 1.000 kg/m 3 ), g à aceleração da gravidade (9,8 m/s 2 ), Q à vazão e H à altura de coluna d água. P hidr = g * Q * H (3) Tabela 1 - Sumário dos resultados para o dimensionamento do projeto. Parâmetros Valores Vazão média (Qm) 12,75 L/s (0,0127 m³/s) Pressão (P) 1,1 kgf/cm² (107 873 N/m 2 ) Altura de coluna d água (H) Potência hidráulica (P hidr ) 10,79 m 1342,59 W A primeira opção foi selecionar uma turbina, pois segundo Cruz e Aniceto (2012), uma queda d água ao fluir por um conduto forçado até uma turbina, faz com que a energia cinética da água seja convertida em energia mecânica, produzindo movimento de rotação das pás e, consequentemente, do rotor do gerador, mas essa opção devido aos valores baixos da vazão (Qm) e altura de coluna d água (H) do prédio (Tabela 1) foi inviável. Para alcançar o objetivo, aprofundou-se na revisão da literatura para encontrar outra solução. Segundo Medeiros (2004) é possível que uma bomba centrífuga funcione como uma turbina, se o sentido do fluxo da água for invertido, ocorrerá a inversão do sentido da rotação do rotor gerando energia. A segunda opção foi selecionar uma bomba para funcionar como turbina, que além de trabalhar dentro das necessidades do projeto possue um custo de aquisição, instalação e manutenção menor do que a turbina. Neste método é necessário adaptar a altura e a vazão real do projeto, conforme as Equações 4 e 5, pois bomba funcionando como turbinas (BFT) necessita que as variáveis sejam maiores que as da bomba funcionando como bomba (BFB). Foi utilizado o método de Viana e Nogueira (1990), que requer uma rotação específica da bomba através da Equação 6 e aplicação de valores do coeficiente de altura (CH) e coeficiente de vazão (CQ) obtidos na Figura 2. 4

H b = C H * H T (4) Onde: H b é a altura da bomba que será utilizada como turbina (m), C H é o coeficiente de altura e H T é a altura disponível no aproveitamento da BFT (m). Q b = C Q * Q T (5) Onde: Q b é a vazão da bomba que será utilizada como turbina (m 3 /s), C Q é o coeficiente de vazão e QT é a vazão disponível no aproveitamento BFT (m 3 /s). T * QT 3 qa 3/ 4 *10 (6) g* H T Onde: qa é a rotação específica da bomba (BFT), T é a rotação da BFT (rps), Q T é a vazão da BFT (m 3 /s), g é a aceleração da gravidade (9,8 m/s 2 ) e HT é a altura da BFT (m). Nas Tabelas 1 e 2 constam os dados e os resultados para selecionar uma bomba funcionando como turbina (TBF) aplicável ao prédio. Tabela 2 Dados e resultados para selecionar a BFT Parâmetros Valores Rotação da BFT ( T ) 1750 rpm (29,2 rps) Rotação específica da bomba BFT ( qa ) 99,7 rps Coeficiente de altura (C H ) 0,53 Coeficiente de vazão (C Q ) 0,81 Altura da bomba que será utilizada como turbina (H b ) 5,7 m Vazão da bomba que será utilizada como turbina (Q b ) 0,0103 m 3 /s ou 37,1m 3 /h Figura 2 Coeficientes de altura e vazão aplicado ao prédio 5

Com a altura e a vazão adaptadas, foi selecionada no catálogo do fabricante a bomba que melhor atendeu ao projeto. 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Para transformar, no prédio residencial, a energia hidráulica da água recebida pela linha de abastecimento da SABESP em energia elétrica, a pesquisa resultou na seleção de uma bomba centrífuga horizontal com rendimento de aproximadamente 70 %. Para garantir uma segurança do sistema de fornecimento de água o projeto contempla também a instalação de um by pass. A seguir o fluxograma para geração de energia elétrica (Figura 3), a lista de materiais com o orçamento do projeto (Tabela 3) e o esquema do protótipo em modelo reduzido (Figura 4). Figura 3 Fluxograma para geração de energia elétrica 6

Tabela 3 - Lista de materiais e orçamento Item Material Qtd. Valor Valor total unitário 1 Curva 90 2 (PVC) 02 R$ 18,90 R$ 37,80 2 Tubo 2 (PVC) 01 R$ 30,90 R$ 30,90 3 Desvio T 2 (PVC) 01 R$ 9,10 R$ 9,10 4 Válvula gaveta 2 02 R$ 48,90 R$ 97,80 5 Disjuntor DIN Bipolar 250-440V 16 A 01 R$ 35,79 R$ 35,79 6 Bomba centrifuga horizontal (Fabricante/Modelo) 01 R$ 2.737,00 R$ 2.737,00 7 Cabo flexível 4 mm² 100 m R$ 1,49 R$ 149,00 TOTAL R$ 3.097,39 Figura 4 Esquema do protótipo em modelo reduzido 01 Bomba Funcionando com Turbina (BFT) 02 Motor de indução como gerador (MIG) 03 Cisterna 04 By pass 05 Energia gerada 06 Aterramento O prédio possui as condições necessárias de vazão, pressão e altura de coluna d água para a instalação do projeto. A vazão média (0,0127 m³/s) e a pressão (1,1 kgf/cm²) observada no prédio são suficientes para gerar 1,34 kw de potência utilizando uma bomba funcionando como turbinas (BFT) durante às horas diárias em que o prédio libera o abastecimento da SABESP para encher as cisternas. Considerando 6 horas por dia para abastecer as cisternas, num período de 30 dias, gerando potência hidráulica de 1,34 kw, o projeto é capaz de produzir 241,56_kW/mês. 7

Com a produção de 241,56 kw/mês e o valor cobrado pela concessionária de energia elétrica de R$ 0,27/kW, o projeto possibilita uma economia de R$ 65,22 ao mês. A economia mensal (R$ 65,22) representa 2,1 % do valor investido em material (R$ 3.097,39). Apesar de não apresentar um retorno econômico expressivo, pode ser considerado como uma opção de investimento do condomínio, com rendimentos superiores às principais aplicações financeiras de perfil conservador como poupança e títulos de capitalização (em torno de 1,3 %). O projeto também é economicamente viável, pois o investimento do condomínio nos materiais (R$ 3.097,39) dividido entre os 400 apartamentos (R$ 7,74 por apto) possibilita uma economia mensal no consumo de energia (R$ 65,22) que representa 2,1 %. Essa economia é superior ao rendimento de aplicações financeiras conservadoras como, por exemplo, a poupança e títulos de capitalização (em torno de 1,3 %). Entretanto, se consideramos um conjunto de prédios em um condomínio o retorno poderá ser expressivo. Do ponto de vista da sustentabilidade é possível afirmar que esta solução tem impacto positivo. Apesar de não dar independência de energia elétrica ao condomínio, diminui a demanda das companhias de abastecimento de energia elétrica que enfrentam também o problema da escassez cada vez maior dos recursos hídricos. 5 CONCLUSÕES O projeto é capaz de transformar a energia hidráulica da água recebida pela linha de abastecimento da SABESP em energia elétrica, antes dela ser armazenada na cisterna do prédio residencial. Para as condições do prédio estudado, é possível, gerar 1,34 kw e produzir 241,56_kW/mês. A capacidade do conjunto gerador de energia elétrica através da energia hidráulica, por meio da bomba centrífuga horizontal ( =70%) funcionando como turbina (BFT), é uma alternativa tecnicamente viável. 8

O projeto é economicamente viável, sustentável e colabora com a otimização do uso dos recursos hídricos. REFERÊNCIAS BRUNETTI, F. Mecânica dos fluidos. 2ª edição; São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. CRUZ, E. C. A.; ANICETO, L. A. Instalações Elétricas 2º edição; São Paulo:Érica, 2012 MEDEIROS, D. M. A utilização de bombas operando como turbinas e geradores de indução na geração de energia elétrica. 2004. 129 f. Dissertação (Mestrado em Ciências em Engenharia de Energia) Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2004. Disponível em: < http://saturno.unifei.edu.br/bim/0030591.pdf >. Acesso em: 04 set. 2016. VIANA, A. N. C; NOGUEIRA, F. J. H. Bombas centrífugas funcionando como turbinas. 1990. Trabalho de Pesquisa (Departamento de Mecânica) Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 1990. 9