PROJETO BFT / GI: UM NOVO CONCEITO PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE MICROCENTRAIS HIDRELÉTRICAS AUGUSTO NELSON CARVALHO VIANA Professor Doutor Titular - Instituto de Recursos Naturais Programa de Pós-graduação em Engenharia da Energia Universidade Federal de Itajubá UNIFEI CEP: 37500-903 - Itajubá, MG Tel.: (35) 3629-1382 Fax: (35) 3629-1265 augusto@unifei.edu.br DANIEL DE MACEDO MEDEIROS Engenheiro Eletricista Msc. Engenharia da Energia Universidade Federal de Itajubá UNIFEI - Instituto de Recursos Naturais CEP: 37500-903 - Itajubá, MG Tel.: (35) 3629-1439 Fax: (35) 3629-1265 macedo@unifei.edu.br MATEUS RICARDO Engenheiro Hídrico Mestrando em Engenharia da Energia Universidade Federal de Itajubá UNIFEI - Instituto de Recursos Naturais CEP: 37500-903 - Itajubá, MG Tel.: (35) 3629-1439 Fax: (35) 3629-1265 mathidr@yahoo.com.br Resumo O presente trabalho tem por objetivo apresentar as principais bases do Projeto BFT / GI, realizado na Fazenda Boa Esperança (Delfim Moreira-MG), através de convênio entre a Universidade Federal de Itajubá e o Ministério de Minas e Energia. Num momento onde a busca pelo desenvolvimento sustentável é palavra de ordem no Brasil, devem-se priorizar as alternativas energéticas de menor custo e impactos ambientais. Vindo de encontro a isso, o Projeto BFT / GI
dá continuidade aos trabalhos de VIANA (1987), onde se desenvolveu a base teórica nacional para a utilização de Bombas Funcionando como Turbinas (BFT s). Além disso, será avaliada a aplicação de Motores de Indução Operando como Geradores de Indução (GI), bem como desenvolvido o sistema de controle de velocidade para grupos geradores BFT / GI. A microcentral hidrelétrica existente na Fazenda Boa Esperança passará por reformas no sentido de se receber o novo grupo gerador, constituído de uma BFT e um GI que será utilizado como laboratório em escala natural da Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Ao final do projeto, haverá subsídios suficientes para se comprovar, na prática, a viabilidade apresentada em ensaios de laboratório da utilização de grupos BFT / GI como substituto de turbinas convencionais em microcentrais hidrelétricas. PALAVRAS-CHAVE: microcentrais hidrelétricas, bomba funcionando como turbina, gerador de indução. Abstract The present work has as objective to present the main bases of PAT / IG Project, accomplished in Boa Esperança Farm (Delfim Moreira MG), by an accord between Itajubá s Federal University and Mines and Energy Ministry. In a moment that the look for sustainable development is the law in Brasil, low costs and environmental impact alternatives must be prioritized. By this way, the PAT / IG Project continuous the VIANA s (1987) works, that developed all brasilian theorical bases for using Pumps Working as Turbine (PAT). Besides that, the application of Induction Motors Operating as Induction Generators will be evaluated (IG), as the velocity control system of the PAT / IG group will be developed. The existing Boa Esperança Farm s micro power plant will be rebuilded, to receive a new generating group formed for a PAT and a IG, that will be used as natural sized test workbench of Itajubá s Federal University. At the ending of the project, there will be enough subsidies to prove, in practice, the feasibility presented in laboratorial tests by PAT / IG groups as conventional turbines replacer in micro power plants. KEYWORDS: micro power plants, pumps working as turbine, induction generator. 1 - Introdução O enorme potencial hidrelétrico brasileiro é conhecido de longa data. Atenção especial tem sido dada aos grandes aproveitamentos, com vistas principalmente ao mercado de eletricidade. Devese, porém, enaltecer o caráter social da energia, como promotora de desenvolvimento e melhoria das condições de vida de comunidades rurais e/ou isoladas. Essas comunidades dependem da energia para atividades básicas, como iluminação e refrigeração, ou para o beneficiamento de gêneros agrícolas, sendo essa energia quase sempre proveniente da queima de óleo diesel.
Nesse contexto, inserem-se as microcentrais hidrelétricas. Com exceção de áreas no semi-árido nordestino, é difícil encontrar no Brasil uma propriedade rural que não disponha nas suas proximidades de um pequeno curso d água ou cachoeira. O ideal de se quebrar as barreiras econômicas que impediam o acesso de pequenos produtores rurais e comunidades isoladas às microcentrais hidrelétricas motivou a equipe do Laboratório Hidromecânico para Pequenas Centrais Hidrelétricas LHPCH da Universidade Federal de Itajubá UNIFEI a desenvolver os primeiros estudos no Brasil sobre a utilização de bombas centrífugas operando como turbinas. As bombas hidráulicas vem sendo utilizadas em grande escala, nos mais variados setores, desde aplicações industriais, saneamento, até irrigação. Dessa forma, as bombas tornaram-se equipamentos fabricados em série, o que levou a uma grande redução de seu custo. Já as turbinas hidráulicas ainda apresentam preços relativamente altos, devido ao fato de sua fabricação quase sempre ser feita de acordo com as características específicas do aproveitamento em questão. Da mesma forma, geradores síncronos apresentam preços mais elevados quando comparados a geradores de indução, que na verdade são motores elétricos utilizados na geração de energia elétrica, dentro da mesma faixa de potência. VIANA (1987) concluiu, após ensaios no LHPCH, que, através da inversão do sentido do escoamento, uma bomba centrífuga poderia funcionar perfeitamente como turbina hidráulica, mediante a adoção de coeficientes de queda e vazão durante a seleção de BFT s. Tais coeficientes, que variam em função da rotação específica da turbina, também foram determinados durante os ensaios, surgindo, daí, a metodologia de seleção homônima ao pesquisador. Para que o rendimento da bomba operando como turbina seja igual àquele da bomba operando como bomba, é necessário que a altura e a vazão da BFT sejam maiores que as da BFB, para a mesma rotação. Estes aumentos são necessários para se compensar as perdas internas da máquina, devido à inversão do fluxo. A conseqüência disso é o aumento da potência de eixo quando a máquina estiver operando como turbina. Surpreendente foi o fato de que, em algumas situações, a BFT apresentou rendimentos superiores à Bomba Funcionando como Bomba. Outro método semelhante foi desenvolvido por CHAPALLAZ et al (1992), na Europa, que também realizou ensaios em diversas bombas e levantou coeficientes experimentais de altura e de vazão em função da rotação específica da bomba. Os dois métodos são semelhantes, exceto pelo fato de que CHAPALLAZ se utiliza de um rendimento estimado da BFT para se determinar os coeficientes de altura e vazão, enquanto VIANA utiliza o rendimento real da bomba, retirado do catálogo do fabricante. Além disso, CHAPALLAZ extrapolou o campo das bombas centrífugas, tendo realizado ensaios também em bombas mistas e axiais. Portanto, com base nos dados do aproveitamento energético, ou seja, a altura e vazão disponíveis, e na rotação específica, é possível selecionar uma bomba para operar como turbina através dos métodos propostos. No entanto, é importante considerar que estes métodos são aproximados, o que pode levar a diferenças na seleção da bomba correta.
No caso da seleção do motor para atuar como gerador de indução e do banco de capacitores, seguiu-se metodologia também desenvolvida por CHAPALLAZ. A consolidação da nova tecnologia depende, então, da avaliação do desempenho das BFT s nas condições onde elas realmente serão empregadas, sem a estrutura e o controle inerente aos ensaios de laboratório. A oportunidade para a realização dessa nova, e definitiva fase ensaios, surgiu mediante o convênio firmado entre a Universidade Federal de Itajubá e o Ministério de Minas e Energia, através de sua divisão de fontes alternativas. Nasce então o Projeto BFT / GI, que será desenvolvido num local ímpar da Serra da Mantiqueira, a Fazenda Boa Esperança. 2 Fazenda Boa Esperança: no caminho da sustentabilidade Localizada no município de Delfim Moreira MG, divisa com o Vale do Paraíba, a Fazenda Boa Esperança está inserida na Área de Proteção Ambiental da Serra da Mantiqueira, numa propriedade de aproximadamente 211 hectares. O grande patrimônio natural da Fazenda é a água. As condições climáticas, topográficas e geomorfológicas desse trecho da Serra da Mantiqueira proporcionaram uma hidrografia privilegiada, tanto em termos qualitativos quanto quantitativos. As principais atividades econômicas da Fazenda Boa Esperança são o turismo ecológico/rural e a piscicultura. A estrutura turística inclui 9 chalés, além de um restaurante. Tais atividades são diretamente dependentes dos rios que atravessam a propriedade, os Córregos da Boa Vista e da Onça, que formarão, à jusante da fazenda, o Rio de Bicas. O principal atrativo turístico são as cachoeiras, totalizando 7 belas quedas, algumas com mais de 40 metros. As águas frias e límpidas proporcionam as condições ideais para a criação de trutas, espécie nobre cultivada em tanques. Fica evidente a estreita relação entre a economia da Fazenda e o meio ambiente local, podendo esse último ser considerado o principal insumo da propriedade. Da manutenção das condições naturais dependem a continuidade e a expansão do turismo e piscicultura na Fazenda Boa Esperança. A adoção de práticas pouco impactantes deve ser prioridade no local. Em termos energéticos, a Fazenda Boa Esperança é um caso típico de localidade rural que podese beneficiar da utilização de microcentrais hidrelétricas, como fonte limpa e barata. Apesar de receber energia da CEMIG, a Fazenda possui uma microcentral hidrelétrica com 25 kw instalados, equipada com uma turbina Michell-Banki e gerador síncrono. Quando a energia gerada pela microcentral não atende à demanda da Fazenda, esta é conectada à concessionária, por chaveamento, não havendo conexão em paralelo. Devido à degradação natural, e falta de
manutenção adequada, a microcentral apresenta más condições e, consequentemente, baixos rendimentos. Cabe salientar que, nos dias de hoje, a posição geográfica da Fazenda Boa Esperança inviabilizaria qualquer tentativa de conexão à concessionária, e esta se enquadraria certamente na categoria de sistema isolado. A conexão só foi possível pois na época, encontrava-se em andamento um programa da concessionária local, CEMIG, para eletrificação de comunidades rurais afastadas. A Fazenda Boa Esperança constitui o cenário ideal para o desenvolvimento do Projeto BFT / GI, que será apresentado à seguir. 3 O Projeto BFT / GI A meta do Projeto BFT / GI é comprovar em campo os excelentes resultados obtidos em laboratório quanto à utilização de Bombas Funcionando como Turbina e Motores de Indução Operando como Gerador de Indução. Essa comprovação será o ponto de partida para a difusão da nova tecnologia no mercado, o que irá beneficiar um sem número de propriedades rurais e comunidades isoladas, através da redução substancial dos custos de implantação de microcentrais hidrelétricas, quando comparados àqueles decorrentes da utilização de turbinas convencionais. 3.1 Etapas do Projeto O Projeto BFT / GI é composto de duas fases. A primeira, cuja conclusão está prevista para final do ano de 2006, será desenvolvida totalmente na Fazenda Boa Esperança. Tem caráter experimental, e será realizada em algumas etapas: Projeto de repotenciação da Microcentral Hidrelétrica Boa Esperança: reavaliação do aproveitamento em questão, através do levantamento de dados topográficos, hidrológicos e demanda de energia elétrica da Fazenda. Com esses dados, definir-se-á a vazão de projeto necessária à geração de energia elétrica para suprir o consumo da Fazenda. Será também avaliado o circuito hidráulico da microcentral, bem como propostas adaptações e reformas nas estruturas hidráulicas para suportar a nova realidade; Seleção do grupo gerador BFT / GI: em função da nova potência instalada e das variáveis hidráulicas e topográficas, será selecionado um novo grupo gerador, utilizando uma Bomba Funcionando como Turbina (BFT) e um Motor de Indução Operando como Gerador de Indução (GI);
Reforma e ampliação da microcentral: corresponde à fase executiva do projeto de repotenciação; Desenvolvimento e seleção do sistema de controle do grupo gerador: o controle de velocidade da BFT se dará através de uma válvula borboleta instalada à montante do grupo gerador, que será controlada eletronicamente. O controlador eletrônico será desenvolvido durante o projeto; Ensaios no grupo gerador BFT/GI: além da reforma, a microcentral será instrumentada, de forma que se possa acompanhar continuamente o desempenho do grupo BFT / GI. A segunda fase do projeto irá contemplar não só os aspectos técnicos das BFT s e GI s, mas também a questão da universalização da energia elétrica, amplamente divulgada pelo governo federal. Exemplos dessa busca pela universalização são o programa Luz Para Todos, que visa levar energia elétrica para comunidades rurais, e o Projeto Ribeirinhas, cujo objetivo é fornecer energia a comunidades isoladas na Amazônia, através de tecnologias renováveis. Seguindo essa linha, na segunda fase do Projeto BFT / GI será implantada uma microcentral hidrelétrica numa comunidade isolada, a escolher, do norte do Tocantins, atendendo às premissas do Programa Luz par todos. Além de todos os estudos e obras para implantação da microcentral, a equipe do Projeto irá treinar os próprios moradores da comunidade para operar e realizar a manutenção da usina. 4 Estudos já realizados Até a presente data, foram concluídas as etapas 1 e 2 da primeira fase do projeto, ou seja, tem-se todo o projeto de repotenciação da microcentral Boa Esperança, bem como selecionado o grupo gerador BFT / GI que será utilizado. Em desenvolvimento, encontra-se a 3ª etapa, de reforma e ampliação da MCH, cuja conclusão está prevista para meados de julho/06. Podem-se destacar dos estudos já concluídos, os seguintes resultados: Estudos hidrológicos: o aproveitamento hidrelétrico da Fazenda Boa Esperança apresenta uma área de drenagem de 36,4 km², com trechos de alta declividade, numa microbacia hidrográfica tipicamente florestal. Essas condições, somadas às características climáticas com influencia orográfica da Serra da Mantiqueira, garantem ao aproveitamento uma vazão firme (duração de 95%) de aproximadamente 0,50 m³/s, valor esse obtido através de regionalização de vazões de estações fluviométricas localizadas nas vizinhanças da bacia considerada. A validade da série histórica de vazões transposta para o aproveitamento foi comprovada através de 3 campanhas hidrométricas, cujas medições se processaram com um micromolinete, estando todos os valores obtidos dentro do desvio tolerável em relação à vazão
média mensal de longo termo das épocas quando as medições foram realizadas. A Figura 1 a seguir mostra a hidrografia e a modelagem digital do aproveitamento. 1500 1600 1700 1800 1900 2000 Altitude [m] FIGURA 1 Hidrografia e modelagem digital da área de drenagem do aproveitamento Levantamento topográfico e georreferenciamento: foram utilizados na Fazenda Boa Esperança um GPS topográfico, diferencial, com precisão de 0,04 m e uma estação total, de precisão de 0,005 m. Com o DGPS, georreferenciou-se todas as estruturas da microcentral, possibilitando, entre outras coisas, determinar o limite exato de sua área de drenagem, dado fundamental ao estudo hidrológico. Em associação com o DGPS, foi utilizada a estação total para se obter as dimensões e desníveis de todo circuito hidráulico da usina, necessários ao reprojeto das estruturas para suportar a nova vazão de projeto. A Figura 2 abaixo mostra as fotos do levantamento realizado na Fazenda Boa Esperança. FIGURA 2 Georreferenciamento e levantamento topográfico Levantamento da demanda da fazenda: foi desenvolvido um inventário de todos os equipamentos elétricos existentes na fazenda, com suas respectivas cargas. A fim de se definir a nova potência instalada da microcentral, realizou-se uma simulação da demanda da
fazenda, numa situação extrema. Tal situação corresponde a períodos quando a Fazenda Boa Esperança é alugada para festas ou eventos. Verificou-se que o maior consumo de energia na Fazenda tem origem nos boilers de aquecimento d água. A demanda total estimada foi de 38,2 kw. Decidiu-se então, prevendo-se a ampliação das atividades da Fazenda, adotar a potência instalada de 43,0 kw. A Figura 3 a seguir mostra a localização das cargas situadas na fazenda, bem como a trajetória da linha de transmissão. FIGURA 3 Centros de consumo da Fazenda Avaliação hidroenergética: com a queda bruta do aproveitamento, obtida do levantamento topográfico, deve-se determinar a vazão de projeto que irá fornecer a potência instalada desejada. As alterações das estruturas hidráulicas da usina também ocorrerão de acordo com essa vazão de projeto. Antes, porém, de se realizar a simulação energética, determinou-se a curva de perda de carga no sistema adutor, afim de se obter a queda liquída relativa à cada vazão simulada. Dessa forma,obtém-se, finalmente, a vazão de projeto necessária para atender à demanda da fazenda. A Figura 5 a seguir mostra a curva que relaciona a potência à vazão de projeto. Potência Instalada por Vazão de Projeto 90,00 80,00 70,00 Potência Instalada [kw] 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 Vazão de Projeto [m³/s] FIGURA 4 Potência instalada por vazão de projeto
A vazão de projeto correspondente à potência instalada de 43,0 kw é de 0,27 m³/s, sendo o fator de capacidade 97 %. Uma vez que só foi considerado nos estudos 40 % da vazão total disponível no rio (os 60 % restantes foram reservados para preservar o aspecto paisagístico das cachoeiras e abastecer os tanques de truta da fazenda), pode-se afirmar que o fator de capacidade real da usina é 100 %. Reprojeto e adaptação das estruturas: determinada a nova vazão de projeto, constatou-se necessário realizar adaptações em algumas estruturas da microcentral. Para a instalação do segundo conduto forçado e do grupo gerador BFT / GI, a câmara de carga e a casa de força serão ampliadas. Além do novo volume de espera, a câmara de carga receberá uma grade de retenção de corpos flutuantes, bem como um novo sistema de desarenação. Já a casa de força, além de ampliada, terá sua ventilação e iluminação melhoradas. Também será instalado um portão de acesso e uma talha manual, que aumentarão sua funcionalidade. As Figuras 5 e 6 a seguir mostram o antigo (desenho da esquerda) e o novo (desenho da direita) arranjo da casa de força e as adaptações a serem realizadas na câmara de carga. Seleção da BFT: conhecidas as características do aproveitamento, que resultaram numa rotação específica superior ao limite aceito no método de VIANA, a seleção da bomba que irá funcionar como turbina foi realizada através do método de CHAPALLAZ. Através desse método, para que a bomba opere como turbina sob uma queda líquida de 21,8 m e vazão de projeto de 0,27 m³/s, deverá ser utilizada uma máquina cuja altura de elevação é de 14,48 m e vazão de 0,212 m³/s. BFT GI Turbina Michell-Banki Gerador síncrono Painel do grupo gerado síncrono Painel do grupo gerado assíncrono FIGURA 5 Antigo e novo arranjo da casa de força
FIGURA 6 Adaptações na câmara de carga Seleção do GI e do banco de capacitores: para a seleção do gerador de indução também foi utilizado o método de Chapallaz, o qual resultou numa máquina de 55kW e um banco de capacitores de 600 μf/fase, para a autoexcitação do gerador. 5 Perspectivas e futuro do Projeto BFT / GI Como mencionado na Seção 3, concluída a primeira fase do projeto, na Fazenda Boa Esperança, a próxima etapa será a implantação de uma microcentral hidrelétrica numa comunidade isolada, no norte do estado do Tocantins, utilizando a tecnologia BFT / GI. A microcentral será operada pelos próprios moradores da comunidade, que receberão treinamento da equipe do projeto. Referências [1] CHAPALLAZ J. M.; GHALI, J. D.; EICHENBERGER, P.; FISCHER, G.; Manual on Motors Used as Generators; MHPG Series; Vol. 10; Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh; Germany; 1990. [2] CHAPALLAZ, J. M.; EICHENBERGER, P.; FISCHER, G.; Manual on Pumps Used as Turbines; MHPG Series; Vol. 11; Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh; Germany; 1992. [3] VIANA, A. N. C. et Al (1990); Bombas de Fluxo Operando como Turbinas Procedimento de Seleção; Universidade Federal de Itajubá; Itajubá; 1990. [4] VIANA, A.N.C (1987); Comportamento de Bombas Centrífugas Funcionando como Turbinas Hidráulicas; Dissertação de Mestrado; EFEI; Itajubá; Dezembro; 1987.