UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA DA ENERGIA

Microgerao em Sistemas de Abastecimento de

gua

Gustavo Meirelles Lima

Orientador: Prof. Dr. Augusto Nelson Carvalho Viana

2013

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA DA ENERGIA

Gustavo Meirelles Lima

Microgerao em Sistemas de Abastecimento de

gua

Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduao

em Engenharia da Energia como requisito parcial

obteno do ttulo de Mestre em Engenharia da Energia

rea de Concentrao: Explorao do Uso Racional de

Recursos Naturais e Energia

Orientador: Prof. Dr. Augusto Nelson Carvalho Viana

Itajub

2013

iii

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA DA ENERGIA

Gustavo Meirelles Lima

Microgerao em Sistemas de Abastecimento de

gua

Dissertao aprovada por banca examinadora em 07 de

janeiro de 2013, conferindo ao autor o ttulo de Mestre

em Engenharia de Energia.

Banca Examinadora:

Prof. Dr. Augusto Nelson Carvalho Viana (Orientador:)

Prof. Dr. Edson da Costa Bortoni

Dr. Roberto Alves de Almeida

Itajub

2013

iv

minha me, Suzana Monteiro Meirelles, e minha av, Mariza Vasquez Monteiro

Meirelles, por me darem a possibilidade de ter chegado at aqui.

v

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador, Augusto Nelson Carvalho Viana, pela orientao e confiana na

realizao deste trabalho e pela amizade sincera.

Aos colegas e amigos de trabalho Jlio Csar dos Santos, Artino Quintino da Silva

Filho, Renato Swerts e Keila Cristina Fernandes de Oliveira, pela ajuda nos trabalhos e pelo

companheirismo.

todos os meus familiares e amigos, sempre presentes nos momentos difceis.

Ao SAAE Cruzeiro e concessionria guas Guariroba por colocarem disposio

suas instalaes para a realizao do estudo.

CAPES, pelo apoio financeiro atravs de bolsa de mestrado, possibilitando o

desenvolvimento da pesquisa.

vi

RESUMO

O uso racional de energia ganha cada vez mais importncia no cenrio mundial, tanto

pelo seu valor econmico quanto por seu valor ambiental. Em sistemas de abastecimento de

gua, os maiores consumidores de energia so as estaes elevatrias e, portanto, so as

unidades do sistema onde h maior preocupao em realizar estudos de eficincia energtica.

Porm, muitos sistemas se beneficiam de sua topografia privilegiada, realizando a captao e

distribuio de gua por gravidade, evitando os gastos com bombeamento. Entretanto, toda a

energia potencial disponvel dissipada, seja em vlvulas redutoras de presso ou em

reservatrios. Assim, toda a energia disponvel que poderia ser aproveitada acaba sendo

desperdiada. Alm disso, estes sistemas j possuem componentes bsicos de uma central

hidreltrica, como vlvulas e conduto forado, o que facilita a implantao de uma

microcentral. Entretanto, para que esta energia possa ser aproveitada de forma adequada,

necessrio conhecer o funcionamento do sistema, para que o fornecimento de gua no seja

prejudicado. Neste trabalho so realizados estudos em trs diferentes sistemas, buscando

definir uma metodologia para avaliar o potencial energtico em sistemas de abastecimento de

gua utilizando de bombas funcionando como turbina. Alm disso, foram realizados ensaios

laboratoriais para avaliar o desempenho da BFT nas diferentes condies hidrulicas

encontradas.

Palavras-chave: fontes renovveis de energia, eficincia energtica, microgerao,

bombas funcionando como turbina.

vii

ABSTRACT

Sustainable use of energy importance increase all over the world, because of its

economic or environmental value. In water supply systems the major energy consumers are

the pumping stations. That is why they are the units of the system where there is greater

concern in realizing energy efficiency studies. However, many systems are benefited from

their privileged topography, adducting and distributing water by gravity, avoiding energy

costs in pumping stations. In the other hand, all the available energy is dissipated, both in

pressure reducing valves and reservoirs. Therefore, all the available energy that could be used

is wasted. Besides, these systems already have the basic components of a hydroelectric plant,

such as the valves and penstock, simplifying the deployment of a micro-hydropower plant.

However, it is necessary to understand the operation of the system to use this energy properly,

without interfering in water supply. In this work three different systems are studied to define a

methodology to evaluate the energy potential in water supply systems using pumps as

turbines. In addition, laboratory tests were conducted to evaluate the PAT performance in

different hydraulic conditions.

Keywords: renewable energy, energy efficiency, microgeneration, pumps as turbines.

viii

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1. EVOLUO DA POTNCIA INSTALADA POR ANO E DO TOTAL EM OPERAO EM TODO O

MUNDO (FONTE: EPIA, 2012). .................................................................................................... 6

FIGURA 2. SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE GUA. .................................................................... 9

FIGURA 3. LIMITES DE NVEIS EM UM RESERVATRIO. ............................................................... 11

FIGURA 4. DETERMINAO DO DIMETRO ECONMICO DE UMA ADUTORA. .............................. 12

FIGURA 5. RELAO DO NDICE DE VAZAMENTO COM A PRESSO (FONTE: WRC, 1985). ......... 14

FIGURA 6. GRFICO PARA VERIFICAO DE CAVITAO NA VRP (FONTE: CATLOGO DA

WATTS, 1996). .......................................................................................................................... 18

FIGURA 7. ESQUEMA HIDRULICO TPICO DE MONTAGEM DA VRP COM HIDRMETRO (FONTE:

SABESP, 1998). ....................................................................................................................... 19

FIGURA 8. COMPARAO ENTRE A OPERAO DE UMA BOMBA COM SUA OPERAO COMO

TURBINA. ................................................................................................................................... 21

FIGURA 9. DISTRIBUIO DOS CUSTOS DE INVESTIMENTO PARA CENTRAIS DE PEQUENO E

GRANDE PORTE. ......................................................................................................................... 21

FIGURA 10. PR-SELEO DA BFT (FONTE: CHAPALLAZ ET AL, 1992). .................................... 24

FIGURA 11. RELAO ENTRE A ROTAO ESPECFICA COMO TURBINA E BOMBA (FONTE:

CHAPALLAZ ET AL, 1992). ......................................................................................................... 25

FIGURA 12. MXIMO RENDIMENTO DA BOMBA EM FUNO DA ROTAO ESPECFICA E DA

VAZO (FONTE: CHAPALLAZ ET AL, 1992). ............................................................................... 26

FIGURA 13. COEFICIENTES DE ALTURA E VAZO (FONTE: CHAPALLAZ ET AL, 1992). ............... 26

FIGURA 14. COMPORTAMENTO DA BFT FORA DO PONTO DE MXIMO RENDIMENTO (FONTE:

CHAPALLAZ ET AL, 1992) .......................................................................................................... 28

FIGURA 15. ESQUEMA DAS BANCADAS DE ENSAIO: A) BFT COM TUBO DE SUCO; B) BFT COM

CONTROLE DE VAZO JUSANTE; C) BFT EM UM BY-PASS. ........................................................ 29

FIGURA 16. ESQUEMA PARA CLCULO DA ALTURA DE QUEDA LQUIDA DA BFT. ...................... 30

FIGURA 17. CURVAS DE ALTURA DE QUEDA LQUIDA, RENDIMENTO DO GRUPO GERADOR E

POTNCIA ELTRICA GERADA PARA A BFT COM TUBO DE SUCO. ........................................... 32

FIGURA 18. CURVAS DE ALTURA DE QUEDA LQUIDA, RENDIMENTO DO GRUPO GERADOR E

POTNCIA ELTRICA GERADA PARA A BFT COM CONTROLE DE VAZO JUSANTE. ................... 32

FIGURA 19. COMPARAO DA ALTURA E RENDIMENTO PARA A OPERAO DA BFT COM TUBO

DE SUCO E COM CONTROLE DE VAZO JUSANTE. ................................................................ 33

ix

FIGURA 20. COMPARAO DAS CURVAS TERICAS DE ALTURA E RENDIMENTO COM OS

RESULTADOS DO ENSAIO. ........................................................................................................... 34

FIGURA 21. FLUXOGRAMA PARA DETERMINAO DO POTENCIAL ENERGTICO EM SISTEMAS DE

ABASTECIMENTO DE GUA. ....................................................................................................... 35

FIGURA 22. LOCALIZAO DE CRUZEIRO EM SO PAULO (FONTE: PREFEITURA MUNICIPAL DE

CRUZEIRO, 2012). ...................................................................................................................... 37

FIGURA 23. LOCALIZAO DAS CAPTAES, ETAS, RESERVATRIOS E ESTAES ELEVATRIAS

DO SAAE CRUZEIRO (FONTE: GOOGLE EARTH, 2012). ............................................................. 38

FIGURA 24. ESQUEMA DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE GUA E LOCALIZAO DAS MCHS

EM CRUZEIRO. ........................................................................................................................... 39

FIGURA 25. LOCALIZAO DE CAMPO GRANDE EM MATO GROSSO DO SUL (FONTE:

PREFEITURA MUNICIPAL DE CAMPO GRANDE, 2012). ............................................................... 39

FIGURA 26. ESQUEMA DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE GUA E LOCALIZAO DA MCH EM

CAMPO GRANDE. ....................................................................................................................... 41

FIGURA 27. MEDIDOR DE VAZO ULTRASSOM E SISTEMA DE AQUISIO DE DADOS EM

CRUZEIRO. ................................................................................................................................. 42

FIGURA 28. MEDIDOR DE VAZO ELETROMAGNTICO DE CAMPO GRANDE. .............................. 43

FIGURA 29. DATALOGGER UTILIZADO EM CAMPO GRANDE. ....................................................... 44

FIGURA 30. LOCALIZAO DOS DATALOGGERS NA REDE VISTA ALEGRE (FONTE: GOOGLE

EARTH). ...................................................................................................................................... 45

FIGURA 31. INSTALAO DO DGPS BASE E MVEL. .................................................................. 46

FIGURA 32. PERFIL TRANSVERSAL E LONGITUDINAL DAS ADUTORAS. ....................................... 46

FIGURA 33. MEDIDA DE NVEL DGUA DO RESERVATRIO DE CRUZEIRO UTILIZANDO

DATALOGGER. ............................................................................................................................. 48

FIGURA 34. LEVANTAMENTO TOPOGRFICO DA REDE VISTA ALEGRE. ...................................... 48

FIGURA 35. INSTALAO DO MEDIDOR DE GRANDEZAS ELTRICAS PARA MONITORAMENTO DA

DEMANDA NA ETA EM CRUZEIRO. ............................................................................................ 49

FIGURA 36. CURVA DE PERMANNCIA DE VAZES ADUZIDAS EM CRUZEIRO. ............................ 50

FIGURA 37. CURVA DE DEMANDA MDIA DA ETA DE CRUZEIRO. ............................................. 52

FIGURA 38. LOCALIZAO DO TRECHO A SER IMPLANTADA A BFT E ZONAS DE PRESSO DA

REDE VISTA ALEGRE SEM CONTROLE DE PRESSO: A) MNIMA; B) MDIA; C) MXIMA. ........... 53

FIGURA 39. VARIAO DE VAZO NO SETOR E PRESSO NO N CRTICO. .................................. 54

FIGURA 40. ZONAS DE PRESSO DA REDE VISTA ALEGRE UTILIZANDO UMA BFT PARA

CONTROLE DE PRESSO: A) MNIMA; B) MDIA; C) MXIMA..................................................... 55

x

FIGURA 41. COMPARAO DAS PRESSES NO PONTO MAIS CRTICO DA REDE E POTNCIA

ELTRICA GERADA UTILIZANDO UMA BFT. ............................................................................... 55

FIGURA 42. ZONAS DE PRESSO DA REDE VISTA ALEGRE UTILIZANDO DUAS BFT PARA

CONTROLE DE PRESSO NO PERODO DE PRESSO MXIMA. ....................................................... 56

FIGURA 43. COMPARAO DAS PRESSES NO PONTO MAIS CRTICO DA REDE. ........................... 57

FIGURA 44. CURVA DE PERMANNCIA DE VAZES ADUZIDAS EM CAMPO GRANDE. .................. 59

FIGURA 45. VARIAES DA VAZO ADUZIDA E DO NVEL DO RESERVATRIO RG NO DIA DE

MENOR CONSUMO. ..................................................................................................................... 60

FIGURA 46. VARIAES DA VAZO ADUZIDA E DO NVEL DO RESERVATRIO RG APS A

OTIMIZAO. ............................................................................................................................. 62

xi

LISTA DE TABELAS

TABELA 1. EVOLUO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS REDE (FONTE: EPIA,

2012). .......................................................................................................................................... 6

TABELA 2. TARIFAS DIFERENCIADAS PARA INCENTIVO DA MICROGERAO EM PORTUGAL

(FONTE: NASCIMENTO, 2008). ..................................................................................................... 7

TABELA 3. SELEO DO DIMETRO DA VRP (FONTE: CATLOGO DA WATTS, 1996). ............... 17

TABELA 4. DIMENSES PADRO PARA CAIXAS DE VRP (FONTE: SABESP, 1998). ................... 19

TABELA 5. RESULTADOS DO ENSAIO REALIZADO NA BFT COM TUBO DE SUCO. .................... 31

TABELA 6. RESULTADOS DO ENSAIO REALIZADO NA BFT COM CONTROLE DE VAZO JUSANTE.

.................................................................................................................................................. 32

TABELA 7. RESULTADOS DO ENSAIO REALIZADO NA BFT EM UM BY-PASS. ................................ 34

TABELA 8. TARIFAS UTILIZADAS PARA REALIZAR A ANLISE ECONMICA DAS MICROCENTRAIS.

.................................................................................................................................................. 49

TABELA 9 RESULTADOS OBTIDOS PARA A SELEO DAS BFTS DA ETA AVELINO JNIOR. .... 51

TABELA 10. INVESTIMENTOS DA MICROCENTRAL DA ETA DE CRUZEIRO. ................................. 52

TABELA 11. RESULTADOS DA ANLISE ECONMICA DA MICROCENTRAL DA ETA CRUZEIRO. .. 53

TABELA 12 RESULTADOS OBTIDOS PARA A SELEO DA BFT DA REDE VISTA ALEGRE. ........ 54

TABELA 13 RESULTADOS OBTIDOS PARA A SELEO DA BFT DA REDE VISTA ALEGRE PARA O

PERODO DE MAIOR PRESSO. .................................................................................................... 56

TABELA 14. INVESTIMENTOS DA MICROCENTRAL DA REDE VISTA ALEGRE DE CRUZEIRO. ........ 58

TABELA 15. RESULTADOS DA ANLISE ECONMICA DA MICROCENTRAL DA REDE VISTA ALEGRE

DE CRUZEIRO. ............................................................................................................................ 58

TABELA 16. RESULTADOS OBTIDOS PARA A OTIMIZAO DA VAZO ADUZIDA AO RESERVATRIO

RG. ............................................................................................................................................ 61

TABELA 17. RESULTADOS OBTIDOS PARA A SELEO DA BFT EM CAMPO GRANDE. ................ 62

TABELA 18. INVESTIMENTOS DA MICROCENTRAL DE CAMPO GRANDE. ..................................... 63

TABELA 19. RESULTADOS DA ANLISE ECONMICA DE CAMPO GRANDE.................................. 63

xii

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica

BFT Bomba Funcionado como Turbina

ETA Estao de Tratamento de gua

GPV Vlvula Genrica

INEE Instituto Nacional de Eficincia Energtica

PRODIST - Procedimentos de Distribuio de Energia Eltrica no Sistema Eltrico Nacional

TIR Taxa Interna de Retorno

VRP Vlvula Redutora de Presso

WRC Water Research Centre

xiii

LISTA DE SMBOLOS

H [m] perda de carga

p [m] - perda de carga da VRP totalmente aberta

[m] rugosidade absoluta

c [%] rendimento do grupo gerador

[kg/m] massa especfica da gua

CH [1] - coeficiente de altura

CQ [1] - coeficiente de vazo

Cv [m/h] - coeficiente de perda de carga relativo da VRP a vazes

D [m] dimetro da tubulao

f [1] fator de atrito da tubulao

g [m/s2] acelerao da gravidade

H [m] altura de queda lquida da BFT

H0b [m] - altura referente s velocidades sncronas

Hb [m] - altura da bomba que ser utilizada como turbina

Ht [m] - altura disponvel no aproveitamento (da BFT)

Iv [%] ndice de vazamentos em relao vazo aduzida ao setor;

Leq [m] comprimento equivalente da tubulao

m [1] coeficiente de vazamento

n0b [rpm] - velocidade da BFT

nb [rpm] - velocidade nominal da bomba encontrada no catlogo do fabricante

nqt [1] - rotao especfica da BFT no Sistema Tcnico

nqb [1]- rotao especfica da bomba

nt [rpm] - rotao da BFT

p1 [m] presso normal

p2 [m] presso reduzida

p1/g [m] presso na entrada da turbina

p2/g [m] presso na sada da turbina

pm [m] presso mdia noturna

Ph [kW] potncia hidrulica

Pel [kW] potncia eltrica gerada

Q [m/h] - vazo

Q0b [m/s] - vazo referente s velocidades sncronas

xiv

Q1 [m/h] vazo do vazamento normal

Q2 [m/h] vazo do vazamento com a reduo da presso

Qb [m3/s] - vazo da bomba que ser utilizada como turbina

Qt [m3/s] - vazo disponvel no aproveitamento (da BFT)

Rey [1] nmero de Reynolds

v [m/s] velocidade do escoamento

v1 [m/s] velocidade na seo de entrada da BFT

v2 [m/s] velocidade na seo de sada da BFT

z1 [m] cota de posio na entrada da BFT

z2 [m] cota de posio na sada da BFT

xv

SUMRIO

1. INTRODUO ...................................................................................................................... 1

2. REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................................... 3

2.1. MICROGERAO E GERAO DISTRIBUDA ....................................................... 3

2.1.1. Vantagens da Gerao Distribuda .......................................................................... 3

2.1.2. Dificuldades da Gerao Distribuda ...................................................................... 4

2.1.3. Modelos de Incentivo ................................................................................................ 4

2.1.4. Exemplos de Gerao Distribuda ........................................................................... 5

2.1.5. Microgerao no Brasil ........................................................................................... 7

2.2. SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE GUA ............................................................. 8

2.2.1. Captao ................................................................................................................... 9

2.2.2. Estao de Tratamento ............................................................................................. 9

2.2.3. Estao Elevatria ................................................................................................. 10

2.2.4. Reservatrios .......................................................................................................... 10

2.2.5. Adutoras ................................................................................................................. 12

2.2.6. Rede de Distribuio .............................................................................................. 12

2.3. CONTROLE DE PRESSO .......................................................................................... 13

2.3.1. Vlvulas Redutoras de Presso .............................................................................. 15

2.4. BOMBAS FUNCIONANDO COMO TURBINA ......................................................... 20

2.4.1. Mtodo de Seleo Proposto por Chapallaz .......................................................... 23

2.4.2. Ensaios Laboratoriais ............................................................................................ 28

2.4.2.1. BFT com Tubo de Suco .................................................................................... 31

2.4.2.2. BFT com Controle de Vazo Jusante ............................................................... 32

2.4.2.3. BFT em um by-pass ............................................................................................. 34

3. METODOLOGIA ................................................................................................................. 35

3.1. DESCRIO DO LOCAL ............................................................................................ 37

3.1.1. SAAE Cruzeiro SP ............................................................................................... 37

3.1.2. guas Guariroba (Campo Grande MS) .............................................................. 39

3.2. OBTENO DOS DADOS .......................................................................................... 41

3.2.1. Vazo ...................................................................................................................... 42

3.2.2. Presso ................................................................................................................... 43

3.2.3. Nvel dgua ........................................................................................................... 47

xvi

3.2.4. Cotas ....................................................................................................................... 48

3.2.5. Potncia Eltrica .................................................................................................... 48

4. RESULTADOS E DISCUSSES ........................................................................................ 50

4.1. SAAE CRUZEIRO ........................................................................................................ 50

4.1.1. ETA Avelino Jnior ................................................................................................ 50

4.1.2. Rede Vista Alegre ................................................................................................... 53

4.2. CAMPO GRANDE ........................................................................................................ 58

5. CONCLUSES E RECOMENDAES ............................................................................ 64

6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................................. 66

1

1. INTRODUO

Devido s questes econmicas e ambientais o setor energtico passou a procurar

novas formas de produo de energia. Uma das alternativas encontradas foi realizar a

produo em pequena escala, prxima ao local de consumo. Este tipo de produo

conhecido por microgerao ou gerao distribuda. Atualmente ainda existem barreiras de

ordem tcnica, econmica e regulatria que dificultam a implantao destas microcentrais.

Entretanto a microgerao pode trazer grandes benefcios a diferentes setores da

economia, desde que a energia produzida seja consumida localmente. Estes benefcios podem

ser maximizados quando a fonte de energia est sendo desperdiada no processo. No caso de

sistemas de abastecimento de gua esta perda resultado do controle de presso nas

tubulaes, seja ela atravs de vlvulas redutoras de presso ou reservatrios.

Os custos da gerao de energia nestes casos so reduzidos, pois diversos

componentes necessrios j existem no local, tais como tubulaes, vlvulas e cmara de

carga. Porm, devido baixa potncia disponvel encontrada nestes locais, o custo dos

equipamentos de gerao, representados pelo conjunto turbina e gerador, pode inviabilizar o

projeto. Uma alternativa encontrada para reduzir o custo utilizar uma bomba funcionando

como turbina (BFT) e o motor de induo como gerador.

Com o objetivo de definir uma metodologia para a avaliao do potencial energtico

em sistemas de abastecimento de gua, foram realizados estudos em trs diferentes sistemas.

Em todos os casos foi considerada a utilizao de bombas funcionando como turbina, com o

objetivo de melhorar a viabilidade econmica da implantao de uma microcentral. O

primeiro caso apresenta o potencial de uma adutora de gua bruta por gravidade. O segundo

mostra o estudo da substituio de vlvulas redutoras de presso (VRPs) por BFTs, tanto para

controle de presso na rede quanto para gerao de energia. Por fim, apresentado o estudo

em uma adutora de gua tratada por gravidade que abastece um reservatrio de distribuio.

Em cada um dos casos definida uma metodologia de estudo diferente, considerando as

particularidades de cada um dos sistemas, de forma que o abastecimento de gua no seja

prejudicado. Tambm foram realizados testes em laboratrio para avaliar o comportamento da

BFT nas diferentes condies hidrulicas encontradas nos sistemas estudados, verificando

assim a viabilidade tcnica das microcentrais.

No captulo 2 apresentada uma reviso da bibliografia estudada, definindo os

conceitos de microgerao, sistemas de abastecimento de gua e seus diversos componentes, a

2

importncia do controle de presso na rede de abastecimento e o conceito da operao de

bombas funcionando como turbinas e seu mtodo de seleo. Tambm so apresentados os

ensaios laboratoriais realizados, mostrando o procedimento de ensaio e as comparaes entre

os resultados obtidos em diferentes condies hidrulicas com os valores tericos esperados.

No captulo 3 apresentada a metodologia proposta para avaliao do potencial

energtico em sistemas de abastecimento de gua. Tambm so descritos os locais onde foram

realizados os estudos de caso e o levantamento dos parmetros necessrios para determinao

do potencial existente e avaliao de sua viabilidade econmica.

No captulo 4 so apresentados os resultados obtidos para os estudos de caso

realizados, mostrando as particularidades de cada um dos sistemas e buscando alternativas

para viabilizar e otimizar cada um dos projetos.

No captulo 5 so feitas as consideraes finais, discutindo e analisando os resultados

obtidos.

3

2. REVISO BIBLIOGRFICA

2.1. MICROGERAO E GERAO DISTRIBUDA

Atualmente, no Brasil, o desenvolvimento do setor eltrico se baseia na centralizao

da produo de energia em grandes usinas, sejam elas hidreltricas, trmicas ou elicas,

passando por linhas de transmisso, que podem atingir grandes distncias, chegando at aos

centros de carga, onde distribuda entre residncias, comrcio e indstrias. De acordo com

Walter et al (2000) este modelo tem sido adotado devido aos seguintes fatores:

Reduo dos custos unitrios de capital atravs da economia de escala;

Reduo dos impactos e riscos prximo aos centros de maior densidade demogrfica;

Influncia dos grandes empreendedores do setor eltrico;

Confiabilidade nos sistemas de transmisso em alta tenso.

Este modelo vem sendo discutido devido questes tcnicas e ambientais. Alm disso,

o crescimento da populao e o desenvolvimento econmico contnuos exigem uma oferta de

energia cada vez maior, ou seja, a implantao de novas usinas. Neste contexto surge o

conceito da gerao distribuda. No h um consenso quanto potncia nem s fontes de

energia includas na gerao distribuda, mas grande parte das definies estabelece que a

unidade geradora seja de pequeno porte e que esteja prxima ao centro de carga (Turkson e

Wohlgemuth, 2001; Dias et al, 2005; Instituto Nacional de Eficincia Energtica INEE,

2012). Assim, a produo de energia passa a ser feita por operadores independentes e

consumidores finais, podendo ou no ser ligada diretamente rede.

2.1.1. Vantagens da Gerao Distribuda

Segundo Rodrguez (2002) e Moreira (2010) a gerao distribuda traz benefcios tanto

para o consumidor final quanto para as concessionrias de energia, destacando-se:

O consumidor poder reduzir suas despesas, caso a eletricidade gerada tenha um custo

menor do que o de suprimento convencional de energia eltrica;

Ideal para locais com baixa densidade populacional ou de difcil acesso da rede

eltrica;

Reduo das perdas nas linhas de transmisso e distribuio;

Melhor planejamento de expanso da oferta de energia;

4

Aumento da confiabilidade no suprimento de energia eltrica;

Reduo dos impactos ambientais;

Aumento da autonomia e do poder de deciso dos consumidores individuais e das

comunidades locais;

2.1.2. Dificuldades da Gerao Distribuda

Apesar de ser uma tima alternativa para a produo de energia, existem barreiras de

ordem tcnica, regulatria, econmica e informativa que ainda devem ser superadas para que

este modelo se desenvolva no pas. Duarte (2010) e Lopes (2011) destacam os seguintes itens:

Complexidade da operao da rede eltrica, que passa a ter fluxo bidirecional;

Alterao nos procedimentos de operao, controle e proteo da rede de distribuio;

Controle da tenso em perodos de baixa demanda;

Alterao dos nveis de curto-circuito das redes;

Aumento da distoro harmnica da rede;

Intermitncia da gerao, seja pela incerteza da disponibilidade de combustvel (vento,

radiao solar, gua, etc.) ou pela falha dos equipamentos;

Alto custo de implantao.

2.1.3. Modelos de Incentivo

De acordo com Quaglia (2010), a adoo de fontes alternativas de gerao de energia

era feita apenas pensando na autossuficincia energtica e em fatores ambientais. Apenas

estes fatores no so capazes de estimular e disseminar a microgerao. So necessrios

incentivos financeiros para que o investimento na microgerao apresente viabilidade

econmica, estimulando o investimento nessas tecnologias. Os principais modelos de

incentivo observados so:

Dual-metering: o consumidor pode conectar sua unidade de gerao na rede de

distribuio, utilizar a energia produzida para atender sua demanda instantnea e, caso

houver excedente, a concessionria obrigada a compr-la. De acordo com Green e

Wan (1998), esta tarifa de compra baseada nos custos evitados pela concessionria,

que chega a ser de 3 a 5 vezes inferior tarifa normal de um consumidor. Ou seja,

para que o benefcio seja maior, a produo deve ocorrer simultaneamente ao

consumo, o que no possvel no caso de placas fotovoltaicas. Neste caso o medidor

5

deve ser capaz de registrar tanto a energia consumida quanto o excedente injetado na

rede.

Net-metering: semelhante ao dual-metering, onde a energia excedente ser vendida

concessionria com base nos custos evitados. Porm, neste caso no existe a

preocupao por parte do consumidor de consumir energia no momento em que ela

produzida. O balano entre o consumo e a produo feito ao fim do contrato,

geralmente de um ano. Outra vantagem deste modelo sua simplicidade operacional,

pois necessria apenas uma leitura do medidor, que gira em sentido contrrio, caso a

produo exceda o consumo.

Feed-in tariffs: segundo Ackermann et al (2001), so tarifas determinadas pelo

governo que as concessionrias devem pagar por cada kWh entregue rede atravs de

fontes renovveis de energia. De maneira geral, estas tarifas so superiores s

praticadas no mercado. Este modelo amplamente utilizado na Europa, onde h maior

preocupao com os fatores ambientais.

Buydown: consiste em um fundo governamental destinado concesso de subsdios

para aquisio de novas tecnologias de microgerao. Desta forma espera-se que as

vendas destes equipamentos aumentem, encorajando os fabricantes a expandirem suas

operaes, reduzindo assim os custos de instalao.

2.1.4. Exemplos de Gerao Distribuda

Os principais exemplos de gerao distribuda esto relacionados com os painis

fotovoltaicos, que convertem a energia solar em energia eltrica. Diversos pases adotaram

polticas de incentivo para que os consumidores pudessem instalar painis em suas

residncias. A Tabela 1 e a Figura 1 apresentam a evoluo da potncia proveniente de

sistemas fotovoltaicos conectada rede.

6

Tabela 1. Evoluo de sistemas fotovoltaicos conectados rede (Fonte: EPIA, 2012).

Pas Potncia Conectada [MW]

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

China 0 11 15 10 9 4 12 20 45 228 520 2.200

Europa 53 94 142 201 708 1.002 987 1.972 5.297 5.803 13.367 21.939

America 23 31 46 65 92 117 149 212 349 539 983 2.234

sia Pacfico 114 136 186 225 276 296 322 283 563 766 1.618 2.653

Africa e Meio-Oeste Europeu 0 0 0 0 0 0 0 0 0 21 45 131

Resto do Mundo 88 56 80 77 29 10 105 42 76 80 284 508

Total Instalado 278 328 469 578 1.114 1.429 1.575 2.529 6.330 7.437 16.817 29.665

Pas Potncia Total Instalada [MW]

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

China 19 30 45 55 64 68 80 100 145 373 893 3.093

Europa 154 248 389 590 1.297 2.299 3.285 5.257 10.554 16.357 29.777 51.716

America 146 177 222 287 379 496 645 856 1.205 1.744 2.820 5.053

sia Pacfico 355 491 677 902 1.178 1.475 1.797 2.080 2.643 3.409 5.116 7.769

Africa e Meio-Oeste Europeu 0 0 0 0 0 0 0 0 0 21 205 336

Resto do Mundo 751 807 887 964 993 1.003 1.108 1.150 1.226 1.306 1.209 1.717

Total em Operao 1.425 1.753 2.220 2.798 3.911 5.341 6.915 9.443 15.773 23.210 40.020 69.684

Figura 1. Evoluo da potncia instalada por ano e do total em operao em todo o mundo (Fonte: EPIA, 2012).

A Alemanha se destaca neste contexto, pois, desde a dcada de 70, com a crise do

petrleo e, em seguida, com o acidente em Chernobyl, programas de incentivo s fontes

renovveis de energia vm sendo desenvolvidos. O programa de painis fotovoltaicos teve

forte crescimento a partir de 2000, quando foi determinada a feed-in tariff. Desde ento, com

7

o crescimento dos sistemas fotovoltaicos, seus custos de instalao caram 16 % (BSW,

2009). A Espanha tambm adotou a feed-in tariff para incentivar o uso da energia solar,

inicialmente apenas para grandes centrais, porm seu programa s comeou a dar resultados

positivos quando foram includos sistemas de pequeno porte.

Outro exemplo de sucesso o programa de Portugal. As tarifas adotadas so diferentes

para cada tecnologia de microgerao, como mostra a Tabela 2. Desta forma, tecnologias

mais caras como a solar e a elica sero competitivas e tero um retorno to bom quanto s

outras. Espera-se que at 2015 sejam instaladas 100 minielicas e 350 mil metros quadrados

de painis fotovoltaicos, atingindo 165 MW de potncia instalada atravs da microgerao

(Nascimento, 2008).

Tabela 2. Tarifas diferenciadas para incentivo da microgerao em Portugal (Fonte: Nascimento, 2008).

Tecnologia Tarifa [$/kWh]

Solar 0,650

Elica 0,455

Hdrica 0,195

Cogerao e Biomassa 0,195

Apesar de tudo, os casos onde se obtm maiores benefcios atravs da microgerao

so aqueles onde possvel a recuperao de energia de um processo. Em muitos casos esta

recuperao feita devido ao excesso de presso, como em sistemas de resfriamento (Bansal

e Marshall, 2010), sistemas de tratamento de gua atravs de osmose reversa (Sun et al, 2008

e Al-Zahrani et al, 2012) e sistemas de abastecimento de gua com captaes por gravidade

ou VRPs (Ramos et al, 2010), ou pela recuperao de calor (Sternlicht, 1982). Estes casos

so mais especficos e encontrados em indstrias, e por isso no esto presentes em grande

quantidade como os painis fotovoltaicos e as microturbinas elicas e nem so alvo de

programas de incentivo.

2.1.5. Microgerao no Brasil

No Brasil a microgerao ainda est em desenvolvimento. Em abril de 2012 a Agncia

Nacional de Energia Eltrica (ANEEL), atravs da resoluo 482, estabeleceu as condies

gerais de acesso de micro e minigeradores aos sistemas de distribuio de energia eltrica.

Alm disso, a resoluo tambm apresenta o sistema de compensao a ser utilizado, que ser

o net-metering. Caso haja excedente, poder ser feita a compensao em outras unidades que

8

sejam pertencentes ao gerador, e que tambm sejam atendidas pela mesma distribuidora. Este

excedente tambm poder ser revertido em crdito a ser utilizado nos meses subseqentes,

porm, aps 36 meses sem uso, eles expiraro. Todos os custos relativos conexo e troca

do medidor de faturamento sero de responsabilidade do produtor, enquanto que eventuais

ampliaes ou reforos no sistema de distribuio sero de responsabilidade da

concessionria. A resoluo deu um prazo de 240 dias para que as concessionrias

estabelecessem suas diretrizes para o acesso da microgerao, que expirou no fim de 2012.

Concessionrias como a CEMIG e EDP utilizaram os Procedimentos de Distribuio de

Energia Eltrica no Sistema Eltrico Nacional PRODIST - (ANEEL, 2012) como base para

estabelecerem suas regras, definindo a forma de conexo, padres de qualidade e sistemas de

proteo necessrios. Devido aos prazos estabelecidos para aprovao da concessionria, as

primeiras micro e minicentrais s devero comear a se beneficiar do sistema de compensao

a partir de maro de 2013.

2.2. SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE GUA

A retirada de gua da natureza em quantidade suficiente para abastecimento da

populao e a adequao de sua qualidade para fins de consumo requerem um complexo

sistema capaz de realizar esta tarefa em qualquer momento. De acordo com Gomes (2009),

um sistema de abastecimento de gua composto por equipamentos, obras e servios capazes

de atender, em quantidade e qualidade suficientes, s necessidades domsticas, industriais e

pblicas. Normalmente os sistemas de abastecimento de gua possuem 7 unidades bsicas:

captao, estao de tratamento, estao elevatria, reservatrios, adutoras, rede de

distribuio e ligaes prediais, como mostra a Figura 2.

9

Figura 2. Sistema de abastecimento de gua.

2.2.1. Captao

Segundo Baptista (2000), a captao consiste de um leito de rio, um reservatrio,

artificial ou no, ou um poo artesiano. composto por estruturas e dispositivos, tais como

barragem, comporta e canais que auxiliam a retirada de gua do manancial. As condies

hidrolgicas do local escolhido devem satisfazer a demanda. Caso contrrio haver a

necessidade da instalao de mais de uma captao. Alm disso, as condies topogrficas

tambm so de fundamental importncia pois, dependendo de sua elevao com relao ao

centro de consumo, pode haver a necessidade de uma estao elevatria, o que pode

inviabilizar economicamente a instalao da captao devido ao alto consumo de energia.

Outra caracterstica que deve ser observada a qualidade da gua do manancial, que deve ser

a melhor possvel, reduzindo os gastos com tratamento.

2.2.2. Estao de Tratamento

A estao de tratamento o local onde a gua bruta torna-se adequada para o

consumo, atravs da melhoria de suas caractersticas fsicas, qumicas e organolpticas,

respeitando os parmetros de qualidade estabelecidos pelo Ministrio da Sade atravs da

Portaria n 518 (2004). A intensidade do tratamento depende da qualidade da gua bruta

10

captada. No Brasil costuma-se realizar as seguintes etapas no caso de captaes em

mananciais superficiais:

Clarificao: tem o objetivo de remover os slidos presentes na gua;

Desinfeco: feita para eliminar microrganismos patognicos;

Fluoretao: realizada para a preveno da crie dentria, segundo a legislao federal

(Portaria n635/75 do Ministrio da Sade).

2.2.3. Estao Elevatria

As estaes elevatrias so responsveis por cerca de 90 % do consumo de energia em

sistemas de abastecimento de gua (Eletrobrs, 2009). So formadas por um ou mais

conjuntos motobomba, normalmente ligados em paralelo, com o objetivo de fornecer energia

gua. Desta forma ela ir atingir a presso necessria para vencer os desnveis topogrficos

e perdas de carga, permitindo que o abastecimento seja feito com uma presso adequada. Em

alguns locais, devido distncia ou topografia, necessria uma estao elevatria

intermediria, conhecida como booster, onde a bomba normalmente instalada em linha na

rede de distribuio, aproveitando assim a presso da prpria rede. Os boosters so muito

utilizados em locais em que feita a setorizao, onde a rede dividida de acordo com sua

topografia. Gouveia et al (2011) apresenta um estudo em que mostra ser mais vivel

economicamente utilizar um reservatrio em uma cota baixa e boosters para abastecer setores

mais elevados da rede ao invs de utilizar um reservatrio em uma cota elevada para atender

toda a rede. Alm disso, com a setorizao as presses na rede se mantm dentro de uma faixa

mais adequada, sem que hajam pontos com presses elevadas, reduzindo assim o risco de

rompimento das tubulaes e o volume de vazamentos.

2.2.4. Reservatrios

A principal funo dos reservatrios em sistemas de abastecimento de gua atender

s variaes de consumo horrio, ou seja, ele usado para garantir que no horrio de maior

demanda no ocorra falta de gua. Alm disso, ele tambm serve para atender casos de

emergncia, como em combate incndios e interrupes no sistema produtor e adutor. De

acordo com Gomes (2009) eles podem ser classificados de acordo com:

a) Localizao em relao rede de distribuio:

De montante: localizado entre a captao e a distribuio;

11

De jusante: localizado aps a distribuio. S recebe gua nos horrios de consumo

mnimo;

De quebra de presso: em terrenos com desnveis acentuados;

b) localizao em relao ao nvel do terreno:

Enterrado;

Semi-enterrado;

Apoiado;

Elevado;

c) material de construo:

Concreto armado: geralmente os elevados;

Alvenaria: enterrados e semi-enterrados;

Ao: mais utilizado nas indstrias;

Existem critrios normativos de dimensionamento de reservatrios, teis para

projetistas de sistemas. Porm, para um dimensionamento mais preciso e uma operao mais

correta fundamental conhecer a curva de demanda do dia de maior consumo, obtida

preferencialmente de uma longa srie de dados. Desta forma, em reservatrios de montante,

possvel determinar qual o volume til (Figura 3) necessrio para suprir a demanda no horrio

de ponta, permitindo assim que as bombas que o alimentam sejam desligadas durante este

perodo, reduzindo os gastos com energia.

Figura 3. Limites de nveis em um reservatrio.

12

2.2.5. Adutoras

Segundo Sarzedas (2009), o objetivo do sistema de aduo transportar uma grande

quantidade de gua ao longo de grandes distncias, em geral entre as principais instalaes do

sistema, como captao e ETA, ETA e reservatrios e reservatrios e rede de distribuio.

Seu dimensionamento deve levar em conta aspectos econmicos. No caso de adutoras por

gravidade deve ser selecionado o menor dimetro possvel para a vazo desejada. Desta forma

a escolha da tubulao feita para que todo o potencial (queda) seja convertido em perda de

carga. J em adutoras que transportam gua de estaes elevatrias, devem ser levados em

conta, alm dos gastos com a tubulao, os gastos com energia ao longo da vida til do

projeto. Assim, para dimetros maiores o gasto com energia menor, pois h menos perda de

carga e, portanto, a potncia requerida pela bomba tambm ser menor, porm o investimento

com a implantao da tubulao ser maior. Assim, deve ser feita uma anlise para que se

encontre o custo mnimo do sistema, como mostra a Figura 4.

Figura 4. Determinao do dimetro econmico de uma adutora.

2.2.6. Rede de Distribuio

A rede de distribuio formada por um conjunto de tubulaes com o objetivo de

conduzir a gua at as ligaes prediais, ou seja, at o ponto final do sistema, onde o controle

passa a ser feito pelo consumidor. A rede de distribuio dimensionada de acordo com as

caractersticas de demanda destes consumidores, permitindo que o abastecimento seja feito de

forma contnua, com vazo e presso adequadas. A rede de distribuio a unidade do

13

sistema com maior relevncia no custo de implantao, representando de 50 a 75 % do total.

Alm disso, a rede de distribuio a unidade que mais sofre com o problema de vazamentos,

que pode influenciar nos gastos de todas as etapas anteriores. Desta forma o controle de

presso na rede, seja pela setorizao ou atravs de vlvulas redutoras de presso pode ser

vantajoso para a economia de energia e de gua do sistema.

2.3. CONTROLE DE PRESSO

O gerenciamento de presses procura minimizar as presses do sistema e a faixa de

durao das presses mximas, e, ao mesmo tempo, assegura os padres mnimos de servio

para os consumidores. Estes objetivos so atingidos pelo projeto especfico e setorizao dos

sistemas de distribuio, pelo controle de bombeamento direto na rede (boosters) ou pela

introduo de vlvulas redutoras de presso (VRPs). Segundo Menezes (2006) o controle de

presso na rede resulta em:

Reduo do volume perdido em vazamentos, economizando recursos de gua e custos

associados;

Reduo da frequncia de rompimento de tubulaes e consequentes danos que tm

reparos onerosos, minimizando tambm as interrupes de fornecimento e os perigos

causados ao pblico usurio de ruas e estradas;

Servio com presses mais estabilizadas ao consumidor, diminuindo a ocorrncia de

danos s instalaes internas dos usurios at a caixa dgua (tubulaes, registros e

bias);

Reduo dos consumos relacionados com a presso da rede, como por exemplo, a rega

de jardins atravs do uso de aspersores.

Diversos estudos comprovam estes benefcios. Viegas (2001) realizou um estudo na

cidade de Santa Maria - RS onde havia um alto ndice de rompimento de tubulaes. A

soluo adotada foi a instalao de VRPs para controle da presso. Com isto o nmero de

rompimentos anual caiu cerca de 50 %, alm de reduzir as perdas de gua. J Reis e Cheung

(2006) utilizaram algoritmos genticos para determinar as condies timas de operao de

uma VRP, enquanto que Marunga et al (2006) utilizaram uma VRP para controlar a presso

de servio, obtendo uma reduo de 25 % nas perdas por vazamento na cidade de Mutare, no

Zimbbue.

14

O estudo realizado pela Water Research Centre WRC - (1985), onde diferentes

experincias de controle de presso foram avaliadas, prope a relao da presso mdia

noturna em uma zona do sistema com seu ndice de vazamentos. Neste estudo obteve-se a

curva emprica da Figura 5 e a Equao 1, que podem ser utilizadas para estimar a reduo de

vazamentos de acordo com a reduo da presso.

(1)

onde:

Iv [%] ndice de vazamentos em relao vazo aduzida ao setor;

pm [m] presso mdia noturna.

Figura 5. Relao do ndice de vazamento com a presso (Fonte: WRC, 1985).

Para converter as taxas de vazamentos noturno em quantidades dirias necessrio

considerar as variaes de presso que ocorrem ao longo do perodo de 24 horas, pois noite

as presses so mais elevadas que durante o dia. Para permitir essa converso recomenda-se

definir um fator noite/dia para determinar o volume de vazamento dirio. Segundo os estudos

da WRC (1985), na Inglaterra este fator da ordem de 20 horas, ou seja, como se o

vazamento noturno ocorresse por 20 horas e nas 4 horas restantes no houvesse vazamentos.

Novas pesquisas vm sendo desenvolvidas e novos conceitos empricos estabelecidos,

atualizando os resultados obtidos pela WRC. Verificou-se que tubos de materiais plsticos

tm uma deformao na rea de vazamento (furo ou trinca) de acordo com o aumento da

15

presso. Com este aumento de rea h um consequente aumento do volume do vazamento. Os

resultados experimentais tm chegado seguinte relao entre presso e vazo:

(2)

onde:

Q1 [m/h] vazo do vazamento normal;

Q2 [m/h] vazo do vazamento com a reduo da presso;

p1 [m] presso normal;

p2 [m] presso reduzida;

m [1] - 0,5 para tubos rgidos, 1,5 para tubos plsticos e 1,15 na mdia geral da rede de

distribuio.

2.3.1. Vlvulas Redutoras de Presso

A principal funo das VRPs limitar a presso em sua sada, independentemente da

presso de montante. Seu funcionamento consiste no fechamento de uma vlvula atravs do

acionamento de um dispositivo de controle quando a presso de jusante for elevada,

aumentando assim a perda de carga localizada no sistema e reduzindo a presso de jusante ao

valor determinado. Caso ocorra o contrrio, ou seja, a presso de jusante estiver muito baixa,

o dispositivo de controle abre a vlvula, reduzindo a perda de carga localizada at que a

presso de trabalho determinada seja atingida. Portanto a operao da VRP pode ocorrer de

trs formas:

Ativa: ocorre quando a VRP provoca uma perda de carga para limitar a presso de

jusante;

Passiva: ocorre quando a presso de montante menor ou igual presso mnima de

trabalho estabelecida. Neste caso a VRP opera totalmente aberta, minimizando a perda

de carga localizada;

Como vlvula de reteno: ocorre quando a presso de jusante maior que a de

montante. Neste caso a VRP fecha totalmente, evitando o refluxo.

O controle das VRPs pode ser feito mecnica ou eletronicamente, permitindo realizar

o controle para um nico valor de presso ou para diferentes situaes de consumo, o que

permite uma gesto mais eficiente da presso de servio e um melhor desempenho hidrulico

do sistema. Basicamente so quatro os sistemas de funcionamento das VRPs:

16

Carga constante: qualquer que seja a presso e vazo de montante a VRP reduz a

presso de jusante a um valor constante determinado;

Queda constante: qualquer que seja a presso e vazo de montante a VRP introduz

uma perda de carga constante, deixando que a presso de jusante varie de acordo com

a presso de montante, porm sempre com a mesma diferena de carga;

Carga constante ajustvel: qualquer que seja a presso e vazo de montante a VRP

reduz a presso de jusante a um valor constante determinado, porm este valor varia

em intervalos de tempo pr-definidos. O mais comum utilizar dois valores: um para

o perodo diurno e outro para o noturno;

Carga varivel: neste caso a presso de jusante ajustada automaticamente em funo

da vazo ou da variao de presso em pontos crticos da rede.

O dimensionamento de uma VRP feito com base nos seguintes parmetros da rede

no ponto de instalao:

Presses mxima e mnima de entrada;

Presso de sada;

Vazo mxima horria;

Vazo mnima horria.

Cada fabricante tem sua metodologia para o dimensionamento de sua vlvula, mas, de

maneira geral, a velocidade mnima deve ser de 1,2 m/s e a mxima de 7,5 m/s. Caso seja

mantida uma vazo constante, esta no deve ter velocidade superior a 6 m/s. A escolha do

dimetro da vlvula deve ser feita de acordo com os parmetros fornecidos pelo fabricante,

como mostra a Tabela 3, retirada do catlogo da Watts (1996).

O dimetro escolhido deve ser aquele com a vazo mxima nominal igual ou maior

que a vazo mxima horria do local a ser controlado. A vazo mnima nominal no poder

ser maior que a vazo mnima horria. Caso isso ocorra, deve-se utilizar uma segunda VRP de

dimetro menor (dimensionada para operar com as vazes mnimas) em paralelo VRP

principal, onde a somatria das vazes mximas seja superior vazo mxima requerida.

17

Tabela 3. Seleo do dimetro da VRP (Fonte: catlogo da Watts, 1996).

Dimetro Nominal Vazo [m3/h] Cv [m

3/h]

[mm] [pol.] Mnima Mxima*

32 1 1/4" 3 26 8,40

38 1 1/2" 5 36 9,09

50 2" 8 59 12,49

65 2 1/2" 14 84 21,58

80 3" 22 129 28,39

100 4" 34 227 49,97

150 6" 76 522 104,48

200 8" 136 886 190,79

250 10" 212 1363 317,98

300 12" 305 1953 392,93

350 14" 416 2385 522,40

400 16" 543 3180 670,03 * Para vazes constantes utilizar um valor 25 % menor.

necessrio verificar se a vlvula escolhida no produz uma perda de carga superior

perda desejada (presso de entrada mnima menos a presso de sada) durante a vazo

mxima horria. A perda de carga a ser produzida pela vlvula totalmente aberta

determinada atravs da Equao 3:

(3)

onde:

p [m] - perda de carga da vlvula totalmente aberta;

Q [m/h] - vazo;

Cv [m/h] - coeficiente de perda de carga relativo a vazes.

Caso a perda de carga da vlvula seja superior ou fique muito prxima da perda

desejada, deve-se escolher uma vlvula com dimetro nominal imediatamente superior e

recalcular a perda de carga. Caso os valores fiquem muito prximos, preciso verificar a

perda de carga dos demais elementos do sistema.

Ainda necessrio verificar o risco de cavitao da vlvula. Os fabricantes fornecem

curvas como a apresentada na Figura 6, onde obtido o ponto de interseo da presso

mxima de entrada da VRP com a presso de sada requerida. Caso este ponto caia dentro da

zona de cavitao, sinal de que haver, alm de rudos, danos fsicos vlvula. Nesse caso

18

deve-se prever instalao em srie de vlvulas de mesmo dimetro, reduzindo a queda de

presso em cada uma delas, diminuindo assim o risco de cavitao. Outra opo reavaliar a

concepo do sistema, criando-se mais de um plano piezomtrico na rea onde se pretende

reduzir a presso.

Figura 6. Grfico para verificao de cavitao na VRP (Fonte: catlogo da Watts, 1996).

A instalao de uma VRP no simples, e requer o uso de diferentes acessrios.

Normalmente so feitas as seguintes etapas:

Execuo das caixas;

Execuo do by-pass e instalao de registros gaveta;

Instalao da VRP, acessrios e do filtro a montante;

Instalao de hidrmetro e de controlador, quando for necessrio.

A incluso de um filtro a montante da VRP fundamental para garantir a

operacionalidade da vlvula, evitando entupimentos, que trariam problemas no controle da

presso, alm de danificar o equipamento. Tambm recomendvel a instalao de uma

ventosa na cabea da vlvula em locais onde h intermitncia no abastecimento, pois se

houver entrada de ar na cabea da vlvula o sistema hidrulico operacional ser afetado.

O hidrmetro, necessrio para utilizao de modulador por vazo, deve ser instalado

12 dimetros a jusante da primeira conexo e 5 dimetros a montante da primeira conexo,

para garantir a sua preciso.

A SABESP (1998) recomenda que as dimenses das caixas de vlvulas possuam os

valores mnimos da Tabela 4. A caixa I utilizada para abrigar o conjunto de peas para uma

VRP sem modulao por vazo ou uma com modulao de vazo, que abrigar apenas o

hidrmetro, a VRP e a vlvula de bloqueio de jusante. A caixa II utilizada para abrigar a

19

vlvula de bloqueio de montante e o filtro, sendo somente necessria no caso de VRP

modulada por vazo.

Tabela 4. Dimenses padro para caixas de VRP (Fonte: SABESP, 1998).

Dimetro [mm] Dimenso Caixa I [mm] Caixa II [mm]

100 a 200

A (largura) 1200 1200

B (comprimento) 4000 2700

C (profundidade) 2000 2000

250 a 400

A (largura) 1500 1500

B (comprimento) 6000 6000

C (profundidade) 2000 2000

A Figura 7 mostra um esquema da instalao de uma VRP dotada de controlador de

vazo, onde necessria a instalao de um hidrmetro.

Figura 7. Esquema hidrulico tpico de montagem da VRP com hidrmetro (Fonte: SABESP, 1998).

Antes de comear a operar a VRP normalmente necessrio seguir o seguinte

procedimento de medio para verificar o comportamento da VRP:

a) Medies com a vlvula aberta

Estas medies devem ser realizadas durante um perodo mnimo de 24 horas.

necessrio medir a vazo de entrada na VRP e as presses de entrada e sada. Tambm

necessrio fazer a medio de presso nos pontos crticos da rede, geralmente pontos altos

onde h menor presso, e tambm em um ponto que represente a presso mdia noturna.

Nessa campanha, a VRP deve ficar em sua posio totalmente aberta.

Os seguintes dados devem ser considerados:

Vazo total entrando na rea de influncia da VRP;

20

Vazo mnima noturna;

Presso mnima e mxima no ponto crtico;

Clculo da vazo de vazamento;

Presso mdia noturna da regio.

b) Teste controlado com presses de sada reduzidas

Primeiramente deve-se regular a VRP para reduzir a presso mxima do sistema em

estgios de aproximadamente 5 m e monitorar as vazes e as presses por 24 horas. Em

seguida, obter os resultados como mostrado no item anterior. Deve-se repetir o teste at que a

presso desejada no ponto crtico seja atingida. Todas as etapas sero supervisionadas de

forma a confirmar os resultados das caractersticas estimadas nos estudos preliminares.

c) Teste adicional para vlvulas com modulao pela vazo

No caso de uma vlvula com modulao pela vazo, todos os testes acima citados

precisam ser efetuados com o modulador de vazo desligado. Depois a modulao deve ser

aplicada com pelo menos 24 horas de monitoramento. possvel reduzir a presso com a

modulao pela vazo para atingir a presso mnima desejada (geralmente entre 10 e 15 mca)

no ponto crtico do sistema. Depois o monitoramento feito novamente, durante 24 horas.

d) Pr-operao das instalaes e medio de performance do sistema

A pr-operao de cada VRP sempre que possvel deve ser feita em trs etapas:

Reduo inicial de presso, seguida de monitoramento das presses e vazo;

Segunda diminuio de presso, seguida de monitoramento das presses e vazo;

Ajuste da presso desejada, seguido de monitoramento das presses e vazo, por duas

semanas, com eventuais ajustes finos do perfil de presso a jusante da VRP.

2.4. BOMBAS FUNCIONANDO COMO TURBINA

Apesar de desempenharem processos opostos, quando comparados os aspectos

construtivos e hidrulicos, as bombas e turbinas hidrulicas assemelham-se. O mesmo

acontece quando a comparao feita entre mquinas eltricas motoras e geradoras. A Figura

8 apresenta uma comparao entre uma bomba, onde fornecida energia mecnica para que

esta seja convertida em energia hidrulica (mquina geratriz), e sua operao como turbina,

onde ela recebe energia hidrulica, convertendo-a em energia mecnica (mquina motriz).

21

Figura 8. Comparao entre a operao de uma bomba com sua operao como turbina.

De acordo com Ricardo (2007) a grande vantagem da utilizao de bombas

funcionando como turbina seu custo reduzido, que de 2 a 3 vezes inferior aos custos de

uma turbina convencional, j que so produzidas em srie devido sua ampla utilizao em

diversos setores, como saneamento e irrigao. Por esta razo, pases como EUA, Alemanha e

Frana vm utilizando bombas e motores para gerar energia eltrica em pequenos

aproveitamentos (Viana et al, 2004). De acordo com Chapallaz et al (1992) nestes casos o

investimento com o grupo gerador muito mais relevante para a viabilidade do projeto,

podendo chegar a 40 % do investimento total, como mostra a Figura 9.

Figura 9. Distribuio dos custos de investimento para centrais de pequeno e grande porte.

Alm do baixo custo, Willians (2003) ressalta outras vantagens de se utilizar BFTs

para gerao de energia:

Maior disponibilidade de peas de reposio;

22

So simples e robustas;

Possuem uma ampla faixa de operao, podendo ser aplicadas a diferentes tipos de

aproveitamentos;

Rapidez no fornecimento do equipamento;

Instalao mais simples;

A bomba e o motor podem ser adquiridos em conjunto, com acoplamento direto,

reduzindo as perdas na transmisso de potncia atravs de correias, por exemplo.

Entretanto, ao contrrio das turbinas convencionais, as bombas no possuem nenhum

dispositivo para controle da vazo para que a rotao se mantenha praticamente constante,

mesmo que haja variao da demanda. Assim, necessrio que a BFT opere com vazo e

altura constantes. Alm disso, Chapallaz et al (1992) ainda levanta as seguintes questes:

O rotor de uma bomba feito para que a energia cintica seja convertida em energia

de presso, ou seja, as ps do rotor so feitas para que haja um aumento gradual da

seo do escoamento. Quando o fluxo invertido ocorrem choques nas ps do rotor,

que causam maiores perdas, reduzindo a altura disponvel;

As BFTs esto mais sujeitas a sofrerem com a cavitao, e por isso o tubo de suco

deve ser dimensionado com grande cautela;

Quando a operao ocorre abaixo de seu ponto de funcionamento (controle atravs de

uma vlvula), h uma rpida queda em seu rendimento.

Para que o rendimento na operao como turbina seja o mesmo da bomba necessrio

realizar a correta seleo do equipamento, que feita com base nos dados de vazo e altura do

aproveitamento. Diversos estudos j foram realizados para que esta seleo seja feita da

melhor maneira, como os de Stepanoff (1957) e McClaskey (1976), que propem uma relao

da vazo e altura com o rendimento da bomba. Entretanto, testes realizados mostraram que h

uma grande discrepncia para o procedimento proposto. Yedidiah (1983) prope um mtodo

baseado na geometria da bomba, porm devido ao grande nmero de parmetros envolvidos e

a dificuldade de obt-los ele se torna inconveniente. Os mtodos considerados mais prticos e

com melhores resultados so aqueles baseados na rotao especfica da bomba, onde se

considera que uma bomba com a mesma rotao especfica ir operar em condies de vazo

e altura similares como turbina. Dentre estes trabalhos destacam-se o de Kittredge (1963),

Diederich (1967), Buse (1981), Lewinski-Kesslitz (1987) e Viana (1987). Contudo, devido ao

grande nmero de testes realizados e diversidade de bombas analisadas, o mtodo proposto

por Chappalaz et al (1992) o que fornece melhores resultados.

23

2.4.1. Mtodo de Seleo Proposto por Chapallaz

Neste mtodo a vazo e a altura da BFT operando como bomba so determinadas

atravs dos dados do aproveitamento e dos coeficientes experimentais cQ e cH. Assim, o ponto

de operao da BFT como bomba calculado pelas Equaes 4 e 5.

(4)

(5)

onde:

Hb [m] - altura da bomba que ser utilizada como turbina;

Ht [m] - altura disponvel no aproveitamento (da BFT);

CH [1] - coeficiente de altura;

Qb [m3/s] - vazo da bomba que ser utilizada como turbina;

Qt [m3/s] - vazo disponvel no aproveitamento (da BFT);

CQ [1] - coeficiente de vazo.

A grande vantagem deste mtodo a ampla faixa de rotao especfica estudada,

compreendendo bombas centrfugas, mistas, axiais, multiestgio e de rotor gmeo. Utilizando

a Figura 10 possvel selecionar qual o tipo de bomba mais adequada para o aproveitamento.

24

Figura 10. Pr-seleo da BFT (Fonte: Chapallaz et al, 1992).

necessrio ento calcular a rotao especfica da BFT no sistema tcnico (Equao

6). Caso a bomba selecionada seja de fluxo duplo, a vazo deve ser dividida por 2. J para

bombas multiestgio, necessrio escolher quantos estgios devero ser utilizados e ento

dividir a altura pela quantidade definida. A rotao nominal da turbina deve ser a maior

possvel dentre as velocidades sncronas (3600, 1800, 1200 ...). Desta forma reduz-se o

tamanho da BFT e consequentemente seus custos.

(6)

onde:

nqt [1] - rotao especfica da BFT no Sistema Tcnico;

nt [rpm] - rotao da BFT;

Qt [m3/s] - vazo da BFT;

Ht [m] - altura da BFT.

De acordo com os ensaios realizados por Chapallaz et al (1992), a relao entre a

rotao especfica da operao como turbina e como bomba praticamente constante, como

mostra a Figura 11. Assim, a rotao especfica da bomba pode ser calculada pela Equao 7.

25

Figura 11. Relao entre a rotao especfica como turbina e bomba (Fonte: Chapallaz et al, 1992).

(7)

onde:

nqb [1]- rotao especfica da bomba;

nqt [1] - rotao especfica da BFT (Equao 6).

26

Chapallaz et al (1992) tambm prope a estimativa da vazo da bomba atravs da

Equao 8. Este procedimento feito para facilitar a determinao do rendimento mximo da

bomba, que pode ser obtido atravs da Figura 12.

(8)

onde:

Qb [m/s] - vazo da bomba;

Qt [m/s] - vazo da BFT.

Figura 12. Mximo rendimento da bomba em funo da rotao especfica e da vazo (Fonte: Chapallaz et al, 1992).

Conhecendo-se o rendimento e rotao especfica da bomba, determinam-se os

coeficientes de altura e vazo atravs da Figura 13.

Figura 13. Coeficientes de altura e vazo (Fonte: Chapallaz et al, 1992).

27

Assim, calcula-se o ponto de operao como bomba atravs das Equaes 4 e 5.

Porm, a rotao das bombas diferente da utilizada para a gerao (velocidade sncrona).

Portanto, necessrio realizar a correo da vazo e altura de acordo com a rotao fornecida

nos catlogos dos fabricantes antes de realizar a seleo da bomba, atravs das leis de

semelhana, Equaes 9 e 10 (Porto, 2006).

(9)

(10)

onde:

Hb [m] - altura referente velocidade nominal da bomba encontrada no catlogo do

fabricante;

nb [rpm] - velocidade nominal da bomba encontrada no catlogo do fabricante;

n0b [rpm] - velocidade da BFT;

H0b [m] - altura referente s velocidades sncronas;

Qb [m/s] - vazo referente velocidade nominal da bomba encontrada no catlogo do

fabricante;

Q0b [m/s] - vazo referente s velocidades sncronas.

Seleciona-se ento a bomba que apresente menor relao custo-benefcio, ou seja,

aquela que tenha o menor custo com maior rendimento.

Em alguns casos interessante conhecer o comportamento hidrulico da BFT fora de

seu ponto de mximo rendimento. Para isto Chapallaz et al (1992) prope o uso da Figura 14,

onde so relacionados os valores de altura e vazo no ponto de mxima eficincia (Ht e Qt)

com valores afastados (Hnt e Qnt), em funo da rotao especfica. Assim possvel criar

uma curva aproximada de sua operao com os quatro pontos obtidos, alm do ponto de

mximo rendimento conhecido.

28

Figura 14. Comportamento da BFT fora do ponto de mximo rendimento (Fonte: Chapallaz et al, 1992)

2.4.2. Ensaios Laboratoriais

Com o objetivo de verificar o comportamento de uma BFT em diferentes condies

hidrulicas foram realizados ensaios laboratoriais. Assim, foram montadas trs diferentes

bancadas para avaliar a operao da BFT nas seguintes condies:

BFT com tubo de suco: o ensaio de referncia, onde a bomba ir operar como se

fosse realmente uma turbina, utilizando seus resultados para comparao com os

outros casos. O controle de vazo feito montante da BFT, reduzindo a presso de

entrada;

BFT com controle de vazo na sada: neste ensaio so simuladas as condies de

operao de um sistema de abastecimento tpico, onde o controle de vazo feito

29

devido ao consumo da populao, jusante da BFT. Neste caso a presso de entrada

ir aumentar com a reduo da vazo e a BFT ir atuar no controle de presso;

By-pass com BFT: o objetivo deste ensaio verificar se a BFT instalada no by-pass de

uma adutora, juntamente com uma VRP, ir operar com altura e vazo constantes,

independentemente do controle feito na tubulao principal.

A Figura 15 apresenta um esquema das bancadas utilizadas para o ensaio. Uma bomba

de maior potncia, juntamente com um conversor de frequncia, simula a queda da BFT.

Resistncias so utilizadas para dissipar a energia gerada. Desta forma controla-se a rotao

da BFT, colocando-se mais ou menos carga.

Figura 15. Esquema das bancadas de ensaio: a) BFT com tubo de suco; b) BFT com controle de vazo jusante; c)

BFT em um by-pass.

A medio de vazo feita atravs de medidores ultrassnicos da marca Thermo

Polysonics, enquanto que as medidas de presso so feitas atravs de transdutores de presso

da marca SMAR. A potncia eltrica medida atravs do medidor de grandezas eltricas

Yokogawa CW 140. Tambm feita a medida de rotao da BFT atravs do tacmetro tico

da marca Icel, para evitar que a mquina dispare, mantendo assim sua velocidade constante.

Assim, possvel calcular a altura de queda lquida da BFT, a potncia hidrulica fornecida e

seu rendimento atravs das Equaes 11 a 14.

30

Figura 16. Esquema para clculo da altura de queda lquida da BFT.

(11)

(12)

(13)

(14)

onde:

H [m] altura de queda lquida da BFT;

p1/g [m] presso na entrada da turbina;

p2/g [m] presso na sada da turbina. No caso da BFT com tubo de suco

considera-se nula.

v1 [m/s] velocidade na seo de entrada da BFT;

v2 [m/s] velocidade na seo de sada da BFT. No caso da BFT com tubo de suco

31

considera-se a seo final do tubo de suco (D3);

z1 [m] cota de posio na entrada da BFT;

z2 [m] cota de posio na sada da BFT. No caso da BFT com tubo de suco

considera-se o nvel dgua do canal de fuga (z3);

Q [m/s] vazo turbinada;

D [m] dimetro da seo considerada (entrada ou sada);

Ph [kW] potncia hidrulica;

[kg/m] massa especfica da gua;

c [%] rendimento do grupo gerador;

Pel [kW] potncia eltrica gerada.

2.4.2.1. BFT com Tubo de Suco

O ensaio realizado na BFT utilizando o tubo de suco apresentou os resultados da

Tabela 5 e Figura 17.

Tabela 5. Resultados do ensaio realizado na BFT com tubo de suco.

Q [m/h] p1/.g [m] H [m] Pel [kW] Ph [kW] gg [%]

16,50 31,72 28,05 0,12 1,16 8,23

18,58 31,32 29,27 0,29 1,40 17,86

21,19 35,48 30,21 0,47 1,58 22,26

22,82 37,55 31,04 0,63 1,72 26,38

24,56 39,38 32,21 0,84 1,91 31,18

25,97 40,90 32,87 1,00 2,05 33,78

29,31 44,14 33,82 1,42 2,32 39,41

31,05 47,73 34,77 1,74 2,47 42,28

32,32 49,74 35,31 1,92 2,57 42,91

33,31 52,20 35,85 2,11 2,65 43,72

34,48 55,30 36,30 2,35 2,72 44,44

37,47 57,00 36,98 2,57 2,99 45,94

39,32 59,45 37,47 2,80 3,13 46,04

41,17 61,90 37,91 3,03 3,27 45,62

32

Figura 17. Curvas de altura de queda lquida, rendimento do grupo gerador e potncia eltrica gerada para a BFT

com tubo de suco.

2.4.2.2. BFT com Controle de Vazo Jusante

A Tabela 6 apresenta os resultados obtidos no ensaio, enquanto que a Figura 18 ilustra

as curvas caractersticas da BFT.

Tabela 6. Resultados do ensaio realizado na BFT com controle de vazo jusante.

Q [m/h] p1/.g [m] p2/.g [m] H [m] Pel [kW] Ph [kW] gg [%]

36,69 62,99 9,13 38,75 1,84 3,87 47,66

32,09 70,63 26,00 36,36 1,30 3,17 41,05

26,58 75,34 35,94 34,81 0,83 2,52 33,04

25,26 76,44 39,06 34,04 0,71 2,34 30,56

23,56 77,46 41,25 32,80 0,54 2,10 25,76

22,56 78,51 44,06 32,17 0,43 1,97 21,61

21,45 79,42 46,56 30,84 0,29 1,80 15,95

Figura 18. Curvas de altura de queda lquida, rendimento do grupo gerador e potncia eltrica gerada para a BFT

com controle de vazo jusante.

33

Comparando as curvas de altura e de rendimento obtidas com as curvas da operao da

BFT com tubo de suco (Figura 19), percebe-se que h uma diferena significativa da curva

de rendimento entre os dois modelos, sendo que a BFT com controle de vazo jusante

sempre opera com um rendimento menor. Isto pode ser explicado pela ausncia do tubo de

suco, que permite que o escoamento atinja o nvel de jusante de maneira uniforme, alm de

recuperar parte da energia cintica do fluido que passa pelo rotor. Apesar da queda de

rendimento, as duas curvas de altura obtidas se mantiveram prximas, indicando a viabilidade

tcnica ao se utilizar uma BFT para controle de presso na rede.

Figura 19. Comparao da altura e rendimento para a operao da BFT com tubo de suco e com controle de vazo

jusante.

Alm desta comparao, tambm foi avaliada a diferena entre as curvas de altura e

rendimento tericos, obtidas de acordo com o procedimento descrito no item 3.4.1. A Figura

20 mostra esta comparao. Percebe-se que o erro alto, em torno de 20 % para baixas

vazes. A partir de 70 % da vazo nominal o erro passa a ser de cerca de 5 %. O mesmo

ocorre com o rendimento, que tem a diferena reduzida ao se aproximar da vazo nominal.

Portanto, quando for feito o estudo da viabilidade tcnica e econmica para utilizar uma BFT

para controle de presso, deve-se tomar cuidado ao utilizar as curvas tericas obtidas,

principalmente quando a variao de vazo for grande, ou seja, quando a BFT precisar operar

com baixas vazes.

34

Figura 20. Comparao das curvas tericas de altura e rendimento com os resultados do ensaio.

2.4.2.3. BFT em um by-pass

A Tabela 7 apresenta os resultados obtidos no ensaio. possvel observar que

independentemente da vazo total do sistema, a vazo turbinada pela BFT se manteve

constante devido ao controle de presso em sua entrada. Da mesma forma, a potncia eltrica

gerada tambm se manteve constante. Isto mostra a viabilidade do uso de uma VRP para

regularizar a operao da BFT, facilitando a aplicao da energia gerada, j que esta no

sofrer alteraes.

Tabela 7. Resultados do ensaio realizado na BFT em um by-pass.

Ponto Qtotal [m/h] Qturbinada [m/h] p1 [m] Pel [W]

1 38,3 25,1 33,3 743

2 33,5 25,4 33,4 727

3 29,6 25,2 33,5 737

4 25,5 25,5 33,7 749

Mdia - 25,3 33,5 739

Desvio-padro - 0,17 0,17 9,41

Desvio [%] - 0,68 0,50 1,27

35

3. METODOLOGIA

Para definir o potencial energtico em sistemas de abastecimento de gua, foi

elaborado o fluxograma apresentado na Figura 21, considerando a utilizao de BFTs. O

primeiro passo definir o local onde dever ser instalada a BFT. Neste caso a aduo dever

ser feita por gravidade. Caso contrrio, a BFT ir introduzir uma perda de carga que dever

ser superada pela estao elevatria, aumentado seu consumo de energia, que ser maior que a

potncia gerada.

Figura 21. Fluxograma para determinao do potencial energtico em sistemas de abastecimento de gua.

36

As adutoras por gravidade podem ser divididas em dois tipos: aquelas em que

possvel aproveitar toda a energia (presso), que o caso de adutoras entre a captao e ETA

e entre reservatrios, e aquelas em que a presso de sada da BFT ainda dever ser capaz de

atender uma demanda, caso de adutoras da rede de distribuio e dos filtros da ETA.

No primeiro caso, onde toda a energia poder ser aproveitada, deve ser feito o

monitoramento da presso e vazo do local, de preferncia na poca de menor consumo.

Assim, possvel determinar a vazo e altura de projeto, que sero os valores mnimos

encontrados. Desta forma a gerao ser contnua, facilitando a operao da BFT e o

atendimento s cargas do sistema. Caso a vazo de projeto seja nula e a aduo ocorra entre

reservatrios, possvel alterar sua operao para elevar a vazo mnima aduzida. Caso no

seja possvel, a gerao s poder ocorrer de forma intermitente.

No segundo caso, onde apenas parte da energia disponvel poder ser aproveitada,

necessrio definir qual a perda de carga mxima que pode ser introduzida ao sistema. Neste

caso o monitoramento da presso e vazo do local dever ser feita no perodo de maior

consumo, quando a presso disponvel menor, ou seja, quando a perda de carga introduzida

dever ser mnima. Em casos onde a instalao da BFT ser feita diretamente na rede de

distribuio, a presso dever ser coletada em diferentes pontos da rede, alm de levantar os

dimetros e comprimentos da tubulao e a topografia do local, para que seja possvel realizar

sua calibrao. Desta forma a BFT ser selecionada para a vazo mxima e a perda de carga

mxima, definida como sendo a diferena entre a presso mnima observada no n crtico

(ponto de menor presso da rede) e o valor mnimo estabelecido por norma.

As curvas de altura e potncia da BFT devero ser levantadas e uma simulao no

software EPANET 2.0 (Rossman, 2000) dever ser feita para garantir a operao do sistema.

Caso as presses na rede fiquem muito baixas dever ser selecionada uma nova BFT com

altura menor. Neste caso a gerao ir ocorrer de forma varivel, de acordo com o consumo

de gua do local. Para que a energia seja utilizada para acionar uma carga constante, dever

ser considerada a potncia mnima encontrada. Nos perodos onde houver uma gerao maior

que o consumo o excedente dever ser dissipado.

Em todos os casos dever ser feito o estudo para verificar a viabilidade econmica do

projeto. A seguir sero descritos os locais onde a metodologia proposta foi aplicada e os

levantamentos realizados para a determinao do potencial energtico.

37

3.1. DESCRIO DO LOCAL

3.1.1. SAAE Cruzeiro SP

Cruzeiro uma cidade localizada na regio Leste do Estado de So Paulo, prxima

Serra da Mantiqueira, inserida dentro da Bacia do Rio Paraba do Sul. De acordo com os

dados do ltimo censo realizado (IBGE, 2010) a cidade possui uma rea de aproximadamente

306 km, com uma populao de 77.039 habitantes.

Figura 22. Localizao de Cruzeiro em So Paulo (Fonte: Prefeitura Municipal de Cruzeiro, 2012).

O sistema de abastecimento municipal, composto por trs sistemas de captao e

tratamento em diferentes locais, como mostra a Figura 23. O estudo foi realizado apenas no

sistema 1, responsvel por cerca de 60 % do abastecimento de gua da cidade, com 13.966

ligaes (SAAE Cruzeiro, 2011).

38

Figura 23. Localizao das captaes, ETAs, reservatrios e estaes elevatrias do SAAE Cruzeiro (Fonte: Google

Earth, 2012).

Neste sistema a captao feita no rio Batedor, e composta por uma barragem de

concreto com comporta em sua margem esquerda, alimentando um canal de aduo, que se

divide em dois, alimentando uma ETA, utilizada apenas para decantao da gua em situaes

onde h grande concentrao de sedimentos, principalmente no perodo chuvoso, e tambm

uma cmara de carga, de onde saem duas adutoras, uma de 10 e outra de 12, que

abastecem a Estao de Tratamento de gua Avelino Jnior. Na chegada da ETA existe um

pequeno reservatrio para reduzir a presso e mant-la a um nvel praticamente constante, em

torno de 7 m. Logo em seguida a gua bruta passa pelo processo de filtrao e desinfeco. A

gua tratada ento armazenada em um reservatrio, de onde saem 4 adutoras, responsveis

por alimentar alguns bairros prximos e outro reservatrio, conhecido como a caixa dgua da

cidade, de onde feito o abastecimento por gravidade, alm de fornecer gua estao

elevatria de Itagaaba, que por sua vez alimenta o reservatrio Bela Vista. A Figura 24

apresenta um esquema deste sistema e os locais onde sero estudadas a implantao de duas

microcentrais: a primeira logo na chegada das adutoras de gua bruta na ETA Avelino Jnior

e a segunda na rede de distribuio Vista Alegre, abastecida pelo reservatrio Bela Vista.

39

Figura 24. Esquema do sistema de abastecimento de gua e localizao das MCHs em Cruzeiro.

3.1.2. guas Guariroba (Campo Grande MS)

O municpio de Campo Grande, capital do Estado de Mato Grosso do Sul, est

localizado no centro do Estado. Possui uma rea de 8.096 km2 e 796.252 habitantes (IBGE,

2010). O municpio no possui grandes rios, pois se encontra sobre o divisor de guas das

bacias do Paran e Paraguai. Entretanto, o Estado o detentor da maior porcentagem do

aqfero Guarani dentro do territrio brasileiro.

Figura 25. Localizao de Campo Grande em Mato Grosso do Sul (Fonte: Prefeitura Municipal de Campo Grande,

2012).

40

Ao contrrio de Cruzeiro, em Campo Grande h uma concessionria, chamada guas

Guariroba, responsvel desde 23 de outubro de 2000 pela gesto dos servios de captao,

aduo, produo, tratamento e distribuio de gua potvel, alm de realizar a coleta,

afastamento, tratamento e disposio final do esgoto.

O sistema de abastecimento de gua e coleta de esgoto possui as seguintes

caractersticas:

2 captaes de gua superficial;

2 estaes de tratamento de gua;

119 captaes de gua subterrnea;

96 reservatrios;

44 elevatrias de gua tratada;

3 estaes de tratamento de esgoto;

26 elevatrias de esgoto;

6.240.607 m/ms de volume disponibilizado de gua;

22.675 cv de potncia instalada (7.050.997 kWh/ms, equivalente a 2,7 % da energia

distribuda pela Enersul).

Como pode ser observado, este sistema muito maior e mais complexo do que o

descrito para o municpio de Cruzeiro. Outra diferena observada a preocupao da

concessionria com aes de racionalizao do uso de energia eltrica e gua, realizando os

seguintes projetos:

Anlise tarifria de energia eltrica de cada unidade operacional;

Anlise de perfil e custo operacional de cada unidade operacional;

Retorno para o mercado cativo da Captao Guariroba;

Reduo da operao em horrio de ponta;

Reduo do consumo de energia reativa;

Reduo das perdas de carga nas tubulaes;

Reduo de perdas no sistema de abastecimento de gua;

Substituies e recuperaes de bombas;

Investimento em novos sistemas produtivos de gua, com nfase em perfurao de

poos;

Investimento em reservatrios;

Interligao de sistemas de abastecimento;

Automatizao e desenvolvimento do controle operacional de abastecimento de gua;

Com o objetivo de manter o sistema em constante melhoria, foi estudada a

41

possibilidade da implantao de uma microcentral no sistema Guariroba. Este sistema

composto por uma captao superficial, aduzindo gua bruta por gravidade (tubulao sem

pressurizao) at um reservatrio que ir alimentar trs bombas. Esta elevatria abastece a

ETA Guariroba. Aps tratada a gua armazenada em quatro grandes reservatrios, que iro

abastecer direta ou indiretamente a populao. No sub-sistema conhecido como RG, a gua

segue para um reservatrio menor, por gravidade, de onde ser distribuda para a populao

atravs de duas adutoras, uma por gravidade e outra atravs de bombeamento. O estudo para a

implantao da microcentral ser feito na adutora de gua tratada, entre os reservatrios da

ETA e RG. A Figura 26 apresenta um esquema do sistema e o local para implantao da

microcentral.

Figura 26. Esquema do sistema de abastecimento de gua e localizao da MCH em Campo Grande.

3.2. OBTENO DOS DADOS

Apesar dos estudos de caso apresentarem diferentes caractersticas, em todos eles

necessrio definir os seguintes parmetros:

Local mais adequado para instalao da microcentral;

Vazo e altura de projeto;

Carga a ser atendida;

42

Viabilidade econmica.

A seguir sero descritos como foram obtidos os dados necessrios para a realizao do

estudo.

3.2.1. Vazo

Para os estudos realizados no SAAE Cruzeiro, a medida de vazo foi realizada atravs

de um medidor de vazo ultrassnico da marca Thermo Polysonics (Figura 27), A utilizao

deste equipamento foi feita devido sua facilidade de instalao, que feita externamente.

Este medidor utilizado na medio de lquidos limpos e seu princpio de funcionamento se

baseia no tempo de trnsito de pulsos de ultrassom emitidos e recebidos pelos dois sensores

acoplados na parede externa da tubulao. Os dados coletados foram armazenados em um

datalogger da marca Contemp, com taxa de aquisio de 1 minuto, durante uma semana. Para

o estudo da microcentral na ETA Avelino Jnior a instalao foi feita logo aps o tanque de

estabilizao, quando as duas adutoras passam para uma tubulao nica de 600 mm.

Tambm foi feita a medio pontual da vazo nas duas adutoras para determinar a

contribuio de cada uma na vazo total. No caso da microcentral da rede Vista Alegre, a

instalao foi feita logo na sada do reservatrio de distribuio e a coleta de dados durou

apenas 24 h. A vazo em cada um dos ns da rede foi obtida relacionando a vazo total com

sua rea de influncia, considerando que o vazamento possui a mesma proporo em todos os

pontos da rede.

Figura 27. Medidor de vazo ultrassom e sistema de aquisio de dados em Cruzeiro.

Para o estudo realizado em Campo Grande foram coletados os dados de trs meses da

macromedio realizada pela concessionria atravs de um medidor eletromagntico,

43

instalado logo na chegada ao reservatrio de jusante (Figura 28), com uma taxa de aquisio

de 1 minuto.

Figura 28. Medidor de vazo eletromagntico de Campo Grande.

3.2.2. Presso

As medidas de presso em Campo Grande foram realizadas atravs de um datalogger.

Ao contrrio da medida de vazo, a presso no faz parte do sistema de macromedio, e,

portanto, foi necessria a instalao do datalogger (Figura 29), com horrio sincronizado ao

sistema de aquisio de vazo, na chegada do reservatrio de jusante, local onde dever ser

instalada a BFT. A taxa de aquisio utilizada foi de 1 minuto, porm a medida durou apenas

dois dias.

44

Figura 29. Datalogger utilizado em Campo Grande.

J no caso de Cruzeiro, onde a microcentral ser instalada na rede Vista Alegre,

necessrio realizar a medida de presso em diferentes pontos, para que seja possvel realizar a

calibrao da rede, e posteriormente, determinar as zonas de presso atravs do software

EPANET 2.0 (Rossman, 2000), definido assim o melhor local para a instalao da BFT.

Assim como