eficiência energética em sistemas de abastecimento de Água usando bombas de rotação variável

152
  Daniel Lucas Makino EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA USANDO BOMBAS DE ROTAÇÃO VARIÁVEL Dissertação de Mestrado apresentada à Comissão de Pós-Graduação da Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Tecnologia. Área de Concentração: Tecnologia e Inovação. Orientador: José Geraldo Pena de Andrade Limeira, 2012 14/12

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  • Daniel Lucas Makino

    EFICINCIA ENERGTICA EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE

    GUA USANDO BOMBAS DE ROTAO VARIVEL

    Dissertao de Mestrado apresentada Comisso de Ps-Graduao da Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos para a obteno do ttulo de Mestre em Tecnologia. rea de Concentrao: Tecnologia e Inovao.

    Orientador: Jos Geraldo Pena de Andrade

    Limeira, 2012

    14/12

  • ii

  • iii

  • iv

    Dedico esse trabalho minha amada esposa, Jackeline, que em todos os momentos tem sido a

    base e a grande alavanca do meu caminhar, e tambm ao beb Gabriel ou Giovana, que

    ansiosamente esperamos chegar para alegrar ainda mais o nosso lar.

  • v

    AGRADECIMENTOS

    Primeiramente agradeo a DEUS por ter concedido a oportunidade e o privilgio de realizar mais

    um dos meus sonhos.

    minha querida esposa Jackeline, companheira batalhadora que sempre esteve ao meu lado

    participando das derrotas e conquistas alcanadas nos desafios da vida e durante todo o meu

    trajeto nessa Instituio de ensino.

    Aos meus amados pais Mamoru (in memoriam) e Isabel, que muito se dedicaram e contriburam

    para a minha formao pessoal e acadmica, especialmente a esse grandioso e inesquecvel

    homem, que sempre terei por meu heri e exemplo de vida.

    Ao amigo e orientador Prof. Dr. Jos Geraldo Pena de Andrade, companheiro de algumas

    batalhas, por sempre ter acreditado nesse desafio, compartilhando com muita dedicao e

    cumplicidade seus sbios conhecimentos tcnicos e suas experincias de vida pessoal e

    profissional de superao e xito. Suas inmeras qualidades me serviro de exemplo para a

    jornada que adiante esta por vir.

    FOZ DO BRASIL S.A - Unidade Limeira por acreditar, disponibilizar dados, equipamentos,

    instalaes e toda a estrutura necessria para o desenvolvimento das anlises. Certamente sem

    esse apoio incondicional prestado, dificilmente o objetivo dessa pesquisa seria conquistado.

    Ao Eng Marco Csar Sinico e ao Tecng Rodrigo Jos Zangirolami, Coordenador e Supervisor

    do Centro Tcnico de Redes da FOZ de Limeira, respectivamente, pelo apoio, companheirismo e

    compartilhamento de suas experincias profissionais.

    Ao meu companheiro desse curso de ps-graduao Eng Gilson Luis Merli, Gerente de

    Operaes da FOZ de Limeira, pelas orientaes e experincias divididas que muito contriburam

    para o desenvolvimento desse trabalho.

  • vi

    Ao Tecng Clber Elieser Salvi, Gerente de Operaes da FOZ de Porto Ferreira, por apoiar e

    acreditar no desenvolvimento dessa pesquisa.

    Aos Eng Alexandro Lus Schimidt e Douglas Eliseu Mendona, Coordenador e Supervisor do

    Centro de Tecnologias Operacionais, respectivamente, ao Alexandre Leite de Oliveira,

    Coordenador de Operaes e Tratamento de gua e Esgoto e a todos os profissionais da FOZ de

    Limeira que participaram e contriburam para a realizao dessa pesquisa, em especial, ao meu

    amigo Marco Aurlio Traldi Assoni, que vivenciou alguns momentos da minha trajetria nesse

    curso de ps-graduao.

    Ao Prof. Dr. Edevar Luvizotto Jnior, pelas orientaes e compartilhamento de experincias, que

    muito foram vlidas para o desenvolvimento e concluses desse trabalho.

  • vii

    Mais fcil me foi encontrar as leis com que se movem os corpos

    celestes, que esto a milhes de quilmetros, do que definir as

    leis de movimento da gua, que escoa frente aos meus olhos.

    Galileu Galilei

  • viii

    SUMRIO

    SUMRIO .............................................................................................................................. viii

    LISTA DE TABELAS .............................................................................................................. x

    LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................. xii

    LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS, SMBOLOS E UNIDADES ............................. xv

    RESUMO .............................................................................................................................. xviii

    ABSTRACT ........................................................................................................................... xix

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

    2. OBJETIVOS ......................................................................................................................... 4

    3. REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................................ 6

    3.1 Perdas de gua e energia eltrica em sistemas de abastecimento de gua ........................ 6

    3.2 Energia eltrica .................................................................................................................. 8

    3.2.1 Gerao de energia eltrica no Brasil ......................................................................... 9

    3.2.2 Consumo de energia eltrica das companhias prestadoras de servios de saneamento do

    Brasil .................................................................................................................................. 12

    3.2.3 Crise energtica brasileira de 2001 ........................................................................... 15

    3.2.4 Estrutura tarifria de energia no Brasil ..................................................................... 19

    3.3 Simulao computacional hidrulica .............................................................................. 22

    3.4 EPANET.......................................................................................................................... 25

    3.5 Mtodos de controle de vazo e presso em sistemas de recalques ................................ 26

    3.5.1 Controle de vazo por estrangulamento de vlvulas ................................................ 27

    3.5.2 Controle de vazo por by-pass na sada da bomba ................................................... 28

    3.5.3 Variao de velocidade de rotao da bomba com uso de inversor de freqncia ... 29

    3.6 Inversor de freqncia ..................................................................................................... 30

    3.6.1 Efeito do inversor de freqncia no bombeamento .................................................. 33

    3.6.2 Reduo de custos com aplicao de inversores de freqncia em bombas de rotao

    varivel ............................................................................................................................... 36

    3.6.3 Vantagens e desvantagens do uso do inversor de freqncia ................................... 37

    4. MATERIAIS E MTODOS .............................................................................................. 40

    4.1 Sistema de abastecimento de gua do municpio de Limeira.......................................... 40

  • ix

    4.2 Sistema objeto do estudo ................................................................................................. 51

    4.2.1 Estao elevatria de gua tratada / booster Duque de Caxias ................................. 51

    4.3 Modelagem matemtica do sistema ................................................................................ 62

    4.3.1 Metodologia empregada no estudo ........................................................................... 62

    4.3.2 Dimetros internos e rugosidades adotadas .............................................................. 68

    4.3.3 Curvas caractersticas dos grupos elevatrios........................................................... 69

    4.3.4 Padres temporais adotados na modelagem ............................................................. 77

    4.3.5 Distribuio das demandas nos ns .......................................................................... 79

    4.3.6 Calibrao do modelo matemtico ........................................................................... 85

    4.3.7 Anlise da eficincia energtica no sistema de abastecimento de gua atravs da

    aplicao do inversor de freqncia ................................................................................... 94

    4.3.7.1 Curva de rendimento da bomba nos cenrios.................................................. 95

    5. RESULTADOS E DISCUSSES ..................................................................................... 98

    5.1 Cenrio 1 ......................................................................................................................... 98

    5.2 Cenrio 2 ....................................................................................................................... 105

    5.3 Cenrio 3 ....................................................................................................................... 112

    5.4 Snteses dos resultados .................................................................................................. 118

    6. CONCLUSO E PERSPECTIVAS ............................................................................... 125

    7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................................................... 127

  • x

    LISTA DE TABELAS

    Tabela 1. Investimentos dos prestadores de servios de gua e esgoto participantes do SNIS.. 8

    Tabela 2. Potencial de gerao das principais fontes primrias de energia do Brasil. ............. 11

    Tabela 3. Estrutura do consumo de energia eltrica no Brasil em 2004. ................................. 14

    Tabela 4. Subgrupos tarifrios A. ............................................................................................. 20

    Tabela 5. Subgrupos tarifrios B. ............................................................................................. 20

    Tabela 6. Consumo e gastos com energia eltrica em 2010 da estao elevatria / booster Duque

    de Caxias. ................................................................................................................................. 52

    Tabela 7. Caractersticas das bombas. ...................................................................................... 56

    Tabela 8. Caractersticas do inversor de freqncia. ................................................................ 56

    Tabela 9. Relatrio dos volumes disponibilizados ao sistema (macro medido), volumes medidos

    (micro medido) e do ndice de eficincia das redes.................................................................. 65

    Tabela 10. Dados do reservatrio para modelagem no simulador hidrulico EPANET. ...... 67

    Tabela 11. Dimetro e rugosidades iniciais adotadas. .............................................................. 68

    Tabela 12. Monitoramento das presses na sada do bombeamento - parte............................. 70

    Tabela 13. Alturas manomtricas mdias horrias da sada da bomba. ................................... 71

    Tabela 14. Monitoramento das vazes na sada do bombeamento........................................... 72

    Tabela 15. Monitoramento das vazes na sada do bombeamento continuao. .................. 73

    Tabela 16. Monitoramento das vazes na sada do bombeamento continuao. .................. 74

    Tabela 17. Monitoramento das vazes na sada do bombeamento (continuao) e definio das

    vazes mdias horrias. ............................................................................................................ 75

    Tabela 18. Padro temporal de variao das demandas ao longo das 24 horas. ...................... 78

    Tabela 19. Dados caractersticos de volumes medidos disponibilizados (macro), consumidos

    (micro), ndice de perdas e extenso de rede para determinao da vazo em marcha............ 81

    Tabela 20. Planilha de associao dos consumos nos ns da macro 11 parte. ...................... 82

    Tabela 21. Dados caractersticos de volumes disponibilizados e medidos por bairros em fase de

    ocupao para determinao da vazo em marcha. .................................................................. 83

    Tabela 22. Planilha de associao dos consumos nos ns por bairros em fase de ocupao

    Parque Residencial Roland parte. .......................................................................................... 84

  • xi

    Tabela 23. Clculo dos rendimentos, potncias, energias e custos de operao da bomba com

    velocidade de rotao constante. ............................................................................................ 104

    Tabela 24. Clculo dos rendimentos, potncias, energias e custos de operao da bomba com

    velocidade de rotao varivel, conforme a operao disposta no cenrio 2. ........................ 111

    Tabela 25. Clculo dos rendimentos, potncias, energias e custos de operao da bomba com

    velocidade de rotao varivel, conforme a operao disposta no cenrio 3. ........................ 117

    Tabela 26. Relao do consumo de energia eltrica nos trs cenrios. .................................. 122

    Tabela 27. Relao do custo com energia eltrica nos trs cenrios. ..................................... 123

    Tabela 28. Relao da reduo de consumo e custos com energia eltrica nos trs cenrios.123

  • xii

    LISTA DE FIGURAS

    Figura 1. Processo de desenvolvimento de um simulador........................................................ 24

    Figura 2. Abertura e fechamento de vlvula............................................................................. 28

    Figura 3. By-pass em instalao de bombeamento................................................................... 29

    Figura 4. Variao da curva da bomba pela alterao da velocidade de rotao provocada pelo

    inversor de freqncia. ............................................................................................................. 30

    Figura 5. Esquema eltrico dos principais componentes de um inversor de freqncia. ......... 31

    Figura 6. Componentes principais de um inversor de freqncia. ........................................... 32

    Figura 7. Diagrama de colina de uma bomba centrfuga. ......................................................... 35

    Figura 8. Relaes caractersticas de bombas centrfugas. ....................................................... 36

    Figura 9. Localizao de Limeira na bacia do PCJ. ................................................................ 41

    Figura 10. Sistema de captao de gua no rio Jaguari e no ribeiro Pinhal........................... 43

    Figura 11. Sistema de aduo de gua bruta. .......................................................................... 44

    Figura 12. Estao de tratamento de gua. .............................................................................. 44

    Figura 13. Localizao das estaes elevatrias de gua. ....................................................... 46

    Figura 14. Fluxograma geral do abastecimento e distribuio de gua de Limeira. ................ 47

    Figura 15. Cadastro digital das redes de distribuio de gua primrias e secundrias. .......... 48

    Figura 16. Sistema de distribuio de gua setorizado em zonas de presso. .......................... 49

    Figura 17. Sistema de distribuio de gua setorizado em zonas de macro medio. ............. 50

    Figura 18. Fachada da estao elevatria de gua / booster Duque de Caxias......................... 53

    Figura 19. Reservatrio de gua da estao elevatria de gua / booster Duque de Caxias. ... 54

    Figura 20. Curva de performance da mquina hidrulica instalada na estao elevatria de gua /

    booster Duque de Caxias. ......................................................................................................... 55

    Figura 21. Casa de bombas da estao elevatria de gua. ...................................................... 57

    Figura 22. Conjunto moto-bomba da estao elevatria. ......................................................... 57

    Figura 23. Transdutor de presso e velocidade de rotao e medidor de vazo e totalizador de

    volume. ..................................................................................................................................... 58

    Figura 24. Transdutor programado para transmisso de dados de presso. ............................. 58

    Figura 25. Transdutor programado para transmisso de dados de rotao da bomba. ............. 59

    Figura 26. Medidor de vazo e totalizador de volume. ............................................................ 59

  • xiii

    Figura 27. Painis de comando remoto da EEA/Booster Duque de Caxias. ............................ 60

    Figura 28. Painel de comando local do inversor de freqncia da EEA/Booster Duque de Caxias.

    .................................................................................................................................................. 61

    Figura 29. Cadastro digital do sistema destacado pela Zona de Presso Mdia IV. ................ 62

    Figura 30. Cadastro digital do sistema destacado pelas Zonas de Macro medio 11 e 34. .... 63

    Figura 31. Cadastro digital do sistema destacado pela associao das Zonas de Macro medio e

    de Presso. ................................................................................................................................ 64

    Figura 32. Representao grfica do sistema de medio e operao remota da EEA / Booster

    Duque de Caxias do VIJEO CITECT. ...................................................................................... 66

    Figura 33. Grfico de visualizao de dados histricos do sistema do VIJEO CITECT. ........ 67

    Figura 34. Curva de demanda mdia horria no intervalo de 24 horas. ................................... 76

    Figura 35. Perfil de variao das velocidades de rotao da bomba no intervalo de 24 horas

    aplicada na simulao hidrulica. ............................................................................................. 77

    Figura 36. Padro temporal de variao das demandas ao longo das 24 horas ajustados

    para a calibrao do modelo. .................................................................................................... 79

    Figura 37. Conceito de definio da demanda no n. .............................................................. 80

    Figura 38. Vista panormica do modelo matemtico. .............................................................. 85

    Figura 39. Pontos de calibrao do modelo matemtico. ......................................................... 86

    Figura 40. Grfico de presses temporais medidas e calibradas do n 1. ................................ 87

    Figura 41. Grfico de presses temporais medidas e calibradas do n 251. ............................ 88

    Figura 42. Grfico de presses temporais medidas e calibradas do n 383. ............................ 89

    Figura 43. Grfico de presses temporais medidas e calibradas do n 404 (recalque). ........... 90

    Figura 44. Relatrio de tratamento estatstico dos dados de calibrao de presso dos pontos

    analisados. ................................................................................................................................ 91

    Figura 45. Comparao dos valores mdios de presso medidos e calibrados dos pontos

    analisados. ................................................................................................................................ 91

    Figura 46. Grfico de vazes temporais medidas e calibradas do trecho 458 (recalque). ........ 92

    Figura 47. Relatrio de tratamento estatstico dos dados de calibrao de vazo do ponto

    analisado. .................................................................................................................................. 93

    Figura 48. Comparao dos valores mdios de vazo medidas e calibradas do ponto analisado.93

  • xiv

    Figura 49. Curva de rendimento da bomba em rotao constante com linha de tendncia para

    interpolao dos rendimentos nas diferentes faixas de vazo. ................................................. 96

    Figura 50. Curva de velocidade de rotao da bomba operada sem o inversor de freqncia ao

    longo das 24 horas. ................................................................................................................... 98

    Figura 51. Altura manomtrica da bomba ao longo das 24 horas. ........................................... 99

    Figura 52. Vazo de recalque da bomba ao longo das 24 horas. ............................................ 100

    Figura 53. Variao das presses calibradas ao longo das 24 horas no ponto de abastecimento

    mais crtico do sistema. .......................................................................................................... 101

    Figura 54. Presses instantneas no ponto mais crtico (n 1) e na regio mais favorvel. ... 102

    Figura 55. Curva de velocidade de rotao calibrada da bomba operada pelo inversor de

    freqncia ao longo das 24 horas. .......................................................................................... 105

    Figura 56. Altura manomtrica da bomba ao longo das 24 horas. ......................................... 106

    Figura 57. Vazo de recalque da bomba ao longo das 24 horas. ............................................ 107

    Figura 58. Variao das presses ao longo das 24 horas no ponto de abastecimento mais crtico

    do sistema. .............................................................................................................................. 108

    Figura 59. Presses instantneas no ponto mais crtico (n 1) e na regio mais favorvel. ... 109

    Figura 60. Curva de velocidade de rotao da bomba operada pelo inversor de freqncia ao

    longo das 24 horas. ................................................................................................................. 112

    Figura 61. Altura manomtrica da bomba ao longo das 24 horas. ......................................... 113

    Figura 62. Vazo de recalque da bomba ao longo das 24 horas. ............................................ 114

    Figura 63. Variao das presses ao longo das 24 horas no ponto de abastecimento mais crtico

    do sistema. .............................................................................................................................. 115

    Figura 64. Presses instantneas no ponto mais crtico (n 1) e na regio mais favorvel. ... 116

    Figura 65. Curvas de cargas da bomba nos trs cenrios. ...................................................... 118

    Figura 66. Curvas de potncias da bomba nos trs cenrios. ................................................. 119

    Figura 67. Curvas de rendimentos da bomba nos trs cenrios. ............................................ 120

    Figura 68. Curvas de custos com energia eltrica da bomba nos trs cenrios. ..................... 121

    Figura 69. Curvas de velocidade de rotao da bomba nos trs cenrios. ............................. 122

  • xv

    LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS, SMBOLOS E UNIDADES

    ANEEL: Agncia Nacional de Energia Eltrica

    ASSEMAE: Associao Nacional dos Servios Municipais de Saneamento

    BEN: Balano Energtico Nacional

    BIG: Banco de Informaes de Gerao

    BNDES: Banco Nacional Desenvolvimento Social

    CCO: Centro de Controle Operacional

    CESET: Centro Superior de Educao Tecnolgica

    CGCE: Cmara de Gesto da Crise de Energia Eltrica

    COMUSA: Companhia Municipal de Saneamento

    DoE: Departament of Energy

    EEAT: Estao Elevatria de gua Tratada

    EEAB: Estaes Elevatrias de gua Bruta

    ELETROBRAS: Centrais Eltricas Brasileiras S/A

    EPA: U.S. Environmental Protection Agency

    EPANET: Environmental Protection Agency (Aplicativo computacional)

    ETA: Estao de Tratamento de gua

    FINESSE: Water Software Systens

    FURNAS: Furnas Centrais Eltrica

    H2ONET H2OMap Montgomery Watson Inc (Aplicativo computacional)

    IBGE: Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica

    IEO: International Energy Outlook

    IPCA: ndice Nacional de Preos ao Consumidor Amplo

    PCJ: Piracicaba, Capivari e Jundia

    PIB: Produto Interno Bruto

    Piccolo: Safege (Aplicativo computacional)

    Pipe2000: KYPipe (Aplicativo computacional)

    PMSS: Programa de Modernizao do Setor Saneamento

    PROCEL: Programa Nacional de Conservao de Energia Eltrica

    ReCESA: Rede Nacional de Capacitao e Extenso Tecnolgica em Saneamento Ambiental

  • xvi

    RiMa: Relatrio de Impacto Ambiental

    SABESP: Companhia de Saneamento Bsico do Estado de So Paulo

    SAN: Sistema Comercial

    SANEAS: Revista da Associao dos Engenheiros da Sabesp

    SICAE: Sistema de Informaes Cartogrficas de gua e Esgoto

    SIG: Sistema de Informaes Geogrficas

    SIN: Sistema Interligado Nacional

    SNIS: Sistema Nacional de Informaes sobre Saneamento

    SNSA: Secretaria Nacional de Saneamento Ambiental do Ministrio das Cidades

    SynerGEE: Stoner Workstation Service

    UTM: Universal Mercator Tranversor

    ZM: Zonas de Macro medio

    ZP: Zonas de Presso

    WaterCAD: Bentley's Haestad Methods (Aplicativo computacional de simulao hidrulica)

    R$: Unidade da moeda brasileira

    CV: Cavalo vapor

    GWh: Gigawatt hora

    H e Hr: Altura manomtrica total relativa rotao da bomba

    Km: Quilmetro

    kV: Kilovolt

    kW: Kilowatt

    kWh: Kilowatt/hora

    l/s: Litros por segundo

    mca: Metro de coluna de gua

    m3: Metro cbico

    m3/h: Metro cbico por hora

    mm: Milmetro

    MW: Megawatt

    MWh: Megawatt hora

    N e Nr: Velocidade de rotao da bomba

    NPSHRR e NPSHR: NPSH relativo rotao da bomba

  • xvii

    P e PR: Potncia consumida da bomba relativa rotao da bomba

    Q e Qr: Vazo relativa rotao da bomba (m3/s)

    Rpm: rotaes por minuto

    T e T1: Torque relativo rotao da bomba

    TWh: Terawatt hora

  • xviii

    RESUMO

    No Brasil, assim como na grande maioria dos pases emergentes, o saneamento bsico, na

    atividade de abastecimento de gua, tem sofrido avano tecnolgico e estrutural aplicado de

    forma precria e pouco expressivo ao longo da histria, devido carncia de recursos para

    operao e manuteno adequadas. Por essa e outras razes tem-se culminado o tardamento da

    melhoria contnua da eficincia ao longo de todo o processo, tendo, por conseqncia, perdas

    significativas do volume de gua (relao dos volumes produzidos com os consumidos ou

    faturados) e elevado consumo de energia eltrica.

    A energia eltrica o segundo insumo mais utilizado no processo produtivo do setor de

    saneamento, representando aproximadamente 2,5% da matriz energtica do pas e

    aproximadamente 50% dos custos operacionais de uma companhia.

    Analisando a magnitude e a importncia que a eletricidade representa ao setor de

    saneamento, o que o saneamento representa matriz energtica e o que o custo do consumo da

    eletricidade representa nas despesas das companhias, diagnostica-se que a eficincia no uso desse

    to importante recurso beneficia todas as partes associadas, bem como propcia o alcance de um

    desenvolvimento cada vez mais sustentvel. Visando o alcance dessa finalidade, o emprego de

    inversores de freqncia em sistema de bombeamento atualmente vem se tornando um aspecto

    fundamental para a otimizao do consumo de energia eltrica e da operacionalidade do sistema.

    Portanto, o objetivo principal desse trabalho consiste em estudar e analisar a eficincia

    energtica de mquinas hidrulicas de velocidade de rotao varivel. Para isso ser

    especificamente retratada uma investigao de um setor do sistema de abastecimento de gua do

    municpio de Limeira-SP.

    Palavras-Chave: Eficincia energtica; Energia eltrica; Inversor de freqncia; Mquinas

    hidrulicas; Abastecimento de gua.

  • xix

    ABSTRACT

    In Brazil, as well as in the great majority of the emergent countries, the basic sanitation, in

    the activity of water supply, it has suffered technological and structural advance applied of

    precarious form and little expressive throughout history, due to lack of resources for adequate

    operation and maintenance. For these and other reasons have occurred the delay of the continuous

    improvement of the efficiency throughout all the process, having, for consequence, significant

    losses of water (relation of the produced volumes with the consumed or invoiced volumes) and

    high consumption of electric energy.

    The electric energy is the second product more used in the productive process of the

    sanitation sector, representing approximately 2,5% of the energy matrix of the country and

    approximately 50% of the operational costs of a company.

    Analyzing the importance that the electricity represents to the sanitation sector, and what

    the sanitation represents to the energy matrix, and what the cost of the consumption of the

    electricity represents in the expenditures of the company, it is diagnosised that the efficiency in

    the use of this so important resource benefits to all the parts associates, as well as it makes

    possible the reach of a development each time more sustainable. Intending this purpose, the

    application of frequency invertors in pump systems currently it comes becoming a essential

    aspect for the efficiency of the consumption of electric energy.

    Therefore, the main objective of this work consists of studying and analyzing the energy

    efficiency of hydraulical machines of speed of changeable rotation. For this specifically will be

    portraied an inquiry of a sector of the system water supply of Limeira-SP.

    Key Words: Energy efficiency; Electric energy; Frequency invertors; Hydraulical machines;

    Water supply.

  • 1

    1. INTRODUO

    Hoje mais de 1,3 bilhes de pessoas carecem de gua doce no mundo, e o consumo humano

    de gua, que representa uma faceta de aproximadamente 3% do consumo mundial, duplica a cada

    25 anos. Com base nesse cenrio, a gua doce adquire uma escassez progressiva e um valor cada

    vez maior, tornando-se um bem econmico propriamente dito (MACHADO, 2003).

    Mediante a necessidade de garantia do recurso ao abastecimento humano, medidas

    substanciais na gesto dos recursos hdricos, que tradicionalmente era realizada de forma

    compartimentada e no integrada foram formuladas na decorrncia dos anos, na busca de instituir

    leis regulamentadoras do uso da gua na bacia hidrogrfica, enfocando seu gerenciamento,

    priorizando estratgias de preservao e possibilitando aos usurios de uma mesma gua definir

    diretrizes para a sua preservao e o melhor aproveitamento, um agregado de valores que visa

    sustentabilidade dos recursos hdricos e energticos. (MAKINO, 2007)

    Destaca-se no montante das aes, a cobrana pelo uso da gua, programas de revitalizao

    de mananciais; construes e ampliaes de estaes de tratamento de gua e esgoto; aquisio

    de equipamentos tecnolgicos para otimizao de processos envolvidos em sistemas de

    abastecimento; construo de barragens de regularizao (audes); transposio de gua entre

    bacias hidrogrficas e controle e reduo de perdas em sistemas pblico/privado de

    abastecimento, que vem sendo desenvolvidas por instituio usurias desse recurso, mediante

    ativos prprios e incentivos de organismos pblicos e privados. (MAKINO, 2007)

    Dentre os mltiplos setores usurios do bem econmico gua, o saneamento bsico, na

    atividade de abastecimento de gua, que tem por objetivo proporcionar o suprimento desse

    lquido s pessoas, na qualidade indispensvel preservao de sua sade e na quantidade

    necessria aos seus diversos usos, incluindo dentre esse destino os setores industriais e outros.

    (SOUSA, 2005)

    A operao dos sistemas pblicos de abastecimento de gua sempre foi merecedora de um

    cuidado exclusivo, por ser um servio de grande complexidade e essencialidade ao atendimento

    das demandas acima expostas. (RODRIGUES, 2007)

  • 2

    O crescimento industrial e populacional dos centros econmicos, que na esfera nacional a

    populao total representa 39,75% da populao total do pas, gradativamente tem requerido

    aumento da oferta do recurso para o atendimento das novas demandas, que associado carncia

    de um planejamento tcnico e estrategicamente integrado das companhias de saneamento podem

    ser apontados como os principais elementos responsveis pela complexidade operacional dos

    sistemas. Essa conexo necessariamente precisa ser amortizada por meio de incrementos e

    ampliaes dos seus sistemas, a fim de atender as condies e demandas impostas pelas

    distncias e locais topograficamente adversos. (ZESSLER; SHAMIR, 1989, apud RODRIGUES,

    2007; PALINI JNIOR, 2008)

    Para isso, alm de outros reforos, novas estaes elevatrias de gua ou booster so e/ou

    precisam ser instalados no sistema operacional visando o pleno atendimento dos pontos de

    consumo, com adequao da vazo e altura manomtrica. (GURGEL, 2006; RODRIGUES,

    2007)

    No Brasil, assim como na grande maioria dos pases emergentes, esse segmento do

    saneamento tem sofrido avano tecnolgico e estrutural sendo aplicado de forma precria e pouco

    expressivo ao longo da histria, devido carncia de recursos para operao e manuteno

    adequadas, que tem culminado no tardamento da melhoria contnua da eficincia ao longo de

    todo o processo, tendo, por conseguinte, perdas significativas do volume de gua (relao dos

    volumes produzidos com os consumidos ou faturados) e elevado consumo de energia eltrica.

    (TUNDISI, 2003)

    A energia eltrica o segundo insumo mais utilizado no processo produtivo do setor de

    saneamento, representando aproximadamente 2,5% da matriz energtica do pas, valor superior

    quando comparado ao de 1998 que foi estimado em 2,3%. (MARTINS, et al., 2006;

    RODRIGUES, 2007; SANEAR, 2008)

    Portanto, o uso racional e a eficincia energtica na operao dos sistemas de

    abastecimento de gua so fundamentais para a reduo do consumo e conseqentemente dos

    custos das companhias com esse recurso, assim como, dos impactos ambientais negativos

  • 3

    ocasionados pela transformao da energia, de fonte renovvel ou no renovvel, em eletricidade.

    (SOUSA, 2005)

  • 4

    2. OBJETIVOS

    No tocante eficincia energtica em sistemas de abastecimento de gua, vislumbrando o

    panorama desfavorvel e ineficaz que convencionalmente grande parte de tais se enquadram,

    atualmente o inversor de freqncia tem se tornado um dos principais dispositivos disponveis

    para, de forma ordenada e eficiente, otimizar o uso de energia eltrica em mquinas hidrulicas.

    Sendo assim, o objetivo desse trabalho consiste em estudar e analisar a eficincia energtica

    de mquinas hidrulicas de velocidade de rotao varivel por inversores de freqncias.

    Em especfico retratada uma investigao de um setor do sistema de abastecimento de

    gua do municpio de Limeira SP, com interesse em avaliar o conceito de aplicao do inversor

    de freqncia adotado pela concessionria, determinar os benefcios econmicos e operacionais

    alcanados pelo uso desse dispositivo, e por fim, estabelecer uma nova regra de aplicao do

    inversor, buscando aperfeioar ainda mais a operacionalidade do sistema e reduzir o consumo de

    energia eltrica.

    A anlise da eficincia energtica resultada pelo uso do inversor de freqncia no sistema

    de abastecimento apresentado realizada em trs distintos cenrios, a saber.

    Cenrio 1: Operao do conjunto moto-bomba sem a aplicao do inversor de

    freqncia;

    Cenrio 2: Operao do conjunto moto-bomba com a aplicao do inversor de

    freqncia, seguindo o mtodo operacional estabelecido pela Foz de Limeira;

    Cenrio 3: Operao do conjunto moto-bomba com a aplicao do inversor de

    freqncia, sendo este ajustado por uma regra operacional criteriosamente

    estabelecida por esse trabalho de pesquisa, que busca atender analogamente as

    condies operacionais aplicveis pela companhia e reduzir o consumo de energia

    eltrica na estao elevatria.

  • 5

    Nesse ltimo cenrio, o critrio definido consiste em estabelecer no ponto mais distante e

    desfavorvel do sistema, durante todos os perodos do dia, uma presso dinmica de 15 mca,

    definida pela companhia como a presso mnima dinmica de operao.

    Com essa regra operacional proposta, o abastecimento de gua em todo o sistema,

    principalmente no ponto mais crtico estar mais equalizado e possivelmente ser submetido

    cargas hidrulicas inferiores, que diretamente influiro na reduo de rompimentos de redes,

    perdas de gua fsicas e principalmente na eficincia energtica do conjunto moto-bomba.

  • 6

    3. REVISO BIBLIOGRFICA

    Dentre os mltiplos setores usurios do bem econmico gua, o saneamento bsico, na

    atividade de abastecimento de gua, que tem por objetivo proporcionar o suprimento desse

    lquido s pessoas, na qualidade indispensvel preservao de sua sade e na quantidade

    necessria aos seus diversos usos, incluindo dentre esse destino os setores industriais e outros.

    (SOUSA, 2005)

    A disposio desse recurso hdrico ao suprimento dos diversos segmentos consumidores

    apenas possibilitada, mediante ao uso da eletricidade. No contexto do saneamento bsico,

    vlido ressaltar que a gua e a energia eltrica so recursos, a rigor, inerentemente associados.

    Essa interao existe devido funo que a energia eltrica exerce no transporte da gua captada

    no manancial estao de tratamento, no transporte aos reservatrios e a distribuio ao

    consumidor. (CUNHA, 2009)

    Muito alm das fronteiras que tange o saneamento, a eletricidade possui, assim como a

    gua, um atributo indispensvel e estratgico para o desenvolvimento scio econmico das

    naes e para o conforto e bem estar da populao, por ser uma das formas mais versteis e

    convenientes de energia. (SOUZA, 2008; SOUSA, 2005)

    3.1 Perdas de gua e energia eltrica em sistemas de abastecimento de gua

    Atualmente o assunto que se refere perda de gua em sistemas de abastecimento um

    tema muito presente, que gradativamente vem sendo difundido e tratado com mais rigor e

    eficcia pelas companhias.

    Em um panorama mundial, no que diz respeito s perdas de guas no faturadas nos

    sistemas pblicos de abastecimento, faz-se notria a carncia e insuficincia de programas que

    atribuem aspectos favorveis soluo do problema em questo em um curto espao de tempo,

    uma vez que investimentos vultosos para aquisio de equipamentos, tecnologias e mo-de-obra

  • 7

    especializada se fazem precisos para abranger a complexidade e magnitude de tais sistemas, e

    tambm pelo fato de haver necessidade de investir prioritariamente em programas que

    proporcionem a universalizao do saneamento bsico populao.

    De acordo com o Diagnstico dos Servios de gua e Esgoto de 2009 do Sistema Nacional

    de Informaes sobre Saneamento SNIS, o ndice mdio nacional de perdas na distribuio, que

    corresponde diferena entre o volume de gua disponibilizado para a distribuio e o volume de

    gua consumido, foi de 41,6%. (SNIS, 2009)

    O estudo Dimensionamento da Necessidade de Investimentos para Universalizao dos

    Servios de gua e Esgotos no Brasil, realizado pelo PMSS e divulgado em 2003, apontou que

    na poca eram necessrios 178 bilhes de reais para universalizar os servios de gua e esgotos e

    fazer a reposio da infra-estrutura existente de forma a assegurar atendimento continuo e de

    qualidade. Em dezembro de 2007 esse valor atualizado com base no IPCA passava a 268,8

    bilhes de reais.

    Tendo por base os dados da srie histrica do SNIS, entre 2001 a 2007, e cruzando com os

    resultados do respectivo Estudo, obtm as seguintes informaes:

    Total de investimento (atualizado pelo IPCA): 28,6 bilhes;

    Mdia anual dos investimentos no perodo: 4,1 bilhes;

    Saldo a ser investido para alcanar a universalizao: 240,2 bilhes.

    A quantidade de vezes que deve ocorrer o investimento de mesma ordem para alcanar a

    universalizao de 66 vezes ou 66 anos. (SNIS, 2007)

    Na Tabela 1 so apontados, segundo a srie histrica, os valores dos investimentos dos

    participantes dos SNIS.

  • 8

    Tabela 1. Investimentos dos prestadores de servios de gua e esgoto participantes do SNIS.

    Ano Investimentos realizados (R$ bilhes) FN033

    Valores histricos Valores atualizados pelo IPCA

    2001 2,6 4,1

    2002 2,8 3,9

    2003 3,0 3,9

    2004 3,1 3,7

    2005 3,5 3,9

    2006 4,5 4,8

    2007 4,2 4,3

    Total 23,8 28,6

    Mdia anual 3,4 4,1

    Fonte: SNIS 2007

    Dessa forma, evidencia-se a dura realidade dos servios de saneamento bsico no Brasil. O

    investimento atual, que da ordem de 0,22% do PIB/ano, precisa ser triplicado para que a

    universalizao do saneamento bsico no Brasil seja alcanada em 20 anos. (SANEAS, 2008;

    INSTITUTO TRATA BRASIL, 2011; IBGE, 2010)

    Por outro lado, muito embora sejam escassas as abordagens, nos sistemas de abastecimento

    de gua tambm h perdas de energia, que por sua vez so extremamente difceis de mensurar.

    Estas se devem principalmente s prprias perdas de gua, baixa eficincia dos equipamentos

    eletro-mecnicos, ausncia de medio e falta de monitoramento dos principais parmetros que

    regulam o sistema e a procedimentos operacionais inadequados. (CUNHA, 2009)

    3.2 Energia eltrica

    A energia, nas suas mais diversas formas imprescindvel a todos os seres viventes. Desde

    os primrdios da vida na Terra, os seres humanos aprenderam ao longo dos sculos a utilizar

  • 9

    diversas formas de energia obtidas de recursos naturais renovveis e no renovveis, que

    provocaram, na maioria das vezes, impactos ambientais negativos.

    Na antiguidade o homem usava a energia trmica proveniente da queima de madeira para

    aquecimento, preparo de alimentos, iluminao, lazer, entre outras aplicaes.

    No sculo XVIII, com o advento da energia eltrica deu-se incio a uma nova era da

    presena humana na Terra, marcada por uma grande revoluo industrial e expanso

    populacional, cujos reflexos positivos e negativos repercutem at os dias de hoje.

    Com a criao de novas tecnologias outros recursos de energia como solar, elica, nuclear,

    hidrognio e biomassa passaram a incorporar as fontes mais difundidas e exploradas em maior

    escala, como o caso do carvo mineral, petrleo, gs natural e hidroeletricidade. (ReCESA,

    2008; RODRIGUES, 2007)

    A eletricidade transformou-se na forma mais conveniente de energia, pois seu consumo est

    diretamente associado aos motores eltricos, tornando-se um recurso vital para o

    desenvolvimento scio- econmico mundial, sobretudo do setor industrial, pois s no Brasil ele

    responsvel por 48% de toda a eletricidade consumida no pas. (RODRIGUES, 2007; SOUSA,

    2005)

    3.2.1 Gerao de energia eltrica no Brasil

    Segundo a Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL, 2008), dentre as principais

    fontes de gerao de energia eltrica no Brasil, compostas por gs natural, petrleo, biomassa,

    nuclear, hidrulica, carvo mineral e elica, a energia hidrulica se firma ao longo dos anos como

    a fonte primria mais importante de energia, no s devido ao enorme potencial hidrulico

    disponvel, mas tambm pela sua atratividade econmica. (SOUZA, 2008; SOUSA, 2005)

    A capacidade de produo de energia eltrica das usinas hidreltricas est diretamente

    atrelada s condies climticas e aos ciclos hidrolgicos, e dessa forma, dependentemente dos

    perodos do ano h excedente ou escassez da produo.

  • 10

    O territrio nacional, pela sua imensa extenso, marcado por peculiaridades climticas.

    Assim, dependendo da regio e da estao, a capacidade de produo das usinas hidreltricas

    pode ser favorecida ou prejudicada.

    Para o suprimento desse fator limitante e da disparidade do aproveitamento do potencial

    hidreltrico brasileiro por bacia hidrogrfica, foi-se institudo o Sistema Interligado Nacional

    SIN, uma formao composta por empresas da regio Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e

    parte da regio Norte, que atravs da interligao entre seus subsistemas viabiliza a troca de

    energia entre regies, permitindo assim, a manuteno da distribuio energtica de todas as

    regies do pas. (SOUZA, 2008)

    O alcance desse sistema foi possibilitado mediante a construo de grandes troncos de

    transmisso para ligar as usinas e as mesmas aos grandes centros distribuidores, que por sua vez

    situam-se distantes dos centros produtores. (SOUZA, 2008)

    Em 2007, de acordo com os resultados preliminares do Balano Energtico Nacional

    (BEN), elaborado pela Empresa de Pesquisa Energtica, a energia de fonte hidrulica

    correspondeu por 14,7% da matriz energtica brasileira e por 85,6% da oferta interna de energia

    eltrica, que totalizou 482,6 TWh (aumento de 4,9% em relao a 2006), consolidando-se como a

    maior produtora de eletricidade do pas. (ANEEL, 2007)

    O potencial hidreltrico brasileiro de 260.000 MW, dos quais so extrados cerca de

    66.300 MW ou 25,5%. Essa fonte de gerao energtica representa uma produo estimada em

    aproximadamente 90% de toda a eletricidade gerada no Brasil. A Tabela 2 apresenta os

    potenciais de gerao das principais fontes primrias de energia do Brasil. (SOUZA, 2008;

    SOUSA, 2005)

  • 11

    Tabela 2. Potencial de gerao das principais fontes primrias de energia do Brasil.

    Tipo Capacidade instalada %

    Total %

    N de Usinas (kW) N de Usinas (kW)

    Hidro 704 77.471.007 70,2 704 77.471.007 70,2

    Gs Natural 85 10.588.402 9,6

    114 11.769.430 10,67 Processo 29 1.181.028 1,07

    Petrleo leo Diesel 595 3.283.796 2,98

    617 4.657.290 4,22 leo Residual 22 1.373.494 1,24

    Biomassa

    Bagao de Cana 252 3.392.063 3,07

    300 4.547.265 4,12

    Licor Negro 13 859.217 0,78

    Madeira 28 233.187 0,21

    Biogs 3 41.590 0,04

    Casca de Arroz 4 21.208 0,02

    Nuclear 2 2.007.000 1,82 2 2.007.000 1,82

    Carvo Mineral Carvo Mineral 8 1.455.104 1,32 8 1.455.104 1,32

    Elica 17 272.650 0,25 17 272.650 0,25

    Importao

    Paraguai 5.650.000 5,46

    8.170.000 7,4 Argentina 2.250.000 2,17

    Venezuela 200.000 0,19

    Uruguai 70.000 0,07

    Total 1.762 110.349.746 100 1.762 110.349.746 100

    Fonte: SOUZA, 2008

  • 12

    Atualmente, cerca de 20% de toda a energia eltrica consumida no mundo proveniente da

    energia hidrulica. (SOUZA, 2008)

    Estima-se que nos prximos 20 anos a demanda mundial de eletricidade poder atingir a

    marca de 2.300 TWh/ano, sendo que 28% desse montante podero ser atendidos por

    hidroeletricidade.

    O Relatrio Internacional de Energia (International Energy Outlook - IEO), publicado pelo

    Departamento de Energia dos Estados Unidos (Departament of Energy - DoE), aponta que no

    perodo de 2004 a 2030 a participao da energia hidrulica dever aumentar a uma margem

    mdia de 1,9 % ao ano. (SOUZA, 2008)

    3.2.2 Consumo de energia eltrica das companhias prestadoras de servios de saneamento

    do Brasil

    O consumo de energia eltrica na produo e distribuio de gua para abastecimento

    intensamente utilizado em toda cadeia do saneamento, desde a captao, transporte e tratamento

    at a distribuio e, por isso, alvo de diversas aes de controle e redues de custo.

    Dentro de uma companhia de distribuio de gua, so tidos como maiores consumidores

    de energia a captao, realizada em rios, represas, poos ou outros mananciais, e o transporte

    atravs de elevatrias, boosters e sistemas de transferncia.

    O entendimento do combate ao desperdcio de energia eltrica deve ser a utilizao do

    menor consumo energtico possvel, tanto na produo de bens como na prestao de servios,

    sem que isto prejudique sua qualidade, conforto e eficincia. (PERETO, 2003)

    De acordo com o Programa Nacional de Conservao de Energia Eltrica para o

    Saneamento, dois e meio por cento do consumo total de energia eltrica do Brasil, o equivalente a

    aproximadamente 10,4 bilhes de kWh/ano (projeo a partir do SNIS 2007), so consumidos

  • 13

    por prestadores de servios de gua e esgotamento sanitrio em todo o pas. (CUNHA, 2009;

    ReCESA, 2008; SANEAR, 2011)

    Em 2004 o consumo de energia eltrica no Brasil foi de 359 bilhes kWh, sendo que o setor

    de saneamento consumiu 8,25 bilhes de kWh, representando 2,3% do consumo do pas e o

    segundo item de custo no saneamento.

    Em 2010 o consumo de energia eltrica do sistema de gua (captao, tratamento,

    reservao e distribuio) da Foz do Brasil Unidade de Limeira foi de 26,13 GWh, o

    equivalente a um custo R$ 6.089.885,80, a 11,74% da despesa anual global dessa Unidade de

    Negcio e a 3,57% do consumo global de energia eltrica do municpio de Limeira. (FOZ DE

    LIMEIRA, 2010; ELEKTRO, 2010)

    Em 2004 a SABESP consumiu 2.042 GWh, que correspondeu a 2,1% do consumo total de

    energia eltrica do Estado de So Paulo. Na Unidade de Negcio do Vale do Paraba da Sabesp,

    que engloba a operao de 24 municpios registrou-se tambm no mesmo ano que a despesa com

    esse recurso foi de 19,67% da despesa total dessa Unidade de Negcio e a operao de bombas

    corresponde a 95% dessa despesa com um consumo mdio mensal de 3.325 MWh. (GURGEL,

    2006)

    A Tabela 3 apresenta a estrutura de consumo de energia eltrica no Brasil. (MARTINS, et

    al., 2006; ReCESA, 2008)

  • 14

    Tabela 3. Estrutura do consumo de energia eltrica no Brasil em 2004.

    Consumo de energia Atividades

    Industrial

    (43%)

    - Fora motriz 51%

    - Saneamento 5,3%

    - Aquecimento 18%

    - Processos eletroqumicos 16,7%

    - Refrigerao 7%

    - Iluminao 2%

    Residencial

    (25%)

    - Aquecimento de gua 26%

    - Refrigerao 32%

    - Iluminao 24%

    - Outros 18%

    Comercial e outros

    (32%)

    - Iluminao 44%

    - Condicionamento do ambiente 20%

    - Refrigerao 18%

    - Outros 18%

    Clingenpeel (1983, apud VICENTE, 2005) afirma que a grande maioria dessas empresas

    gasta aproximadamente 50% dos custos operacionais com energia eltrica, dos quais mais de

    95% podem ser associados aos custos de bombeamento, principalmente pelos conjuntos moto-

    bomba das estaes elevatrias dos sistemas de abastecimento de gua.

    Embora no sejam divulgados dados consolidados, estima-se que a despesa anual das

    companhias prestadoras de servios de saneamento do Brasil com perdas energticas de R$ 375

    milhes. Um dos principais motivos do desperdcio energtico, por exemplo, o

    superdimensionamento das estruturas em relao demanda real do processo. (ReCESA, 2008;

    RODRIGUES, 2007)

    O setor de saneamento, por ser a parcela da indstria com maiores ndices de perda e

    desperdcio nos processos de produo e distribuio de seu produto, vem sendo objeto de

    programas de reduo da perda e do desperdcio de energia eltrica desenvolvidos pelo

  • 15

    Ministrio de Minas e Energia por meio da Eletrobrs, que tem procurado motivar as

    concessionrias do setor saneamento para o planejamento dos sistemas considerando o uso

    racional.

    Os sistemas de abastecimento de gua so caracterizados por constantes alteraes de seus

    parmetros operacionais, seja pelo envelhecimento do sistema ou pelo crescimento da demanda.

    Esses componentes isolados ou associados levam a restries hidrulicas, gerando elevadas

    perdas de cargas e deficincias no abastecimento que so compensadas com a utilizao da

    energia eltrica, atravs da aplicao de estaes de bombeamento.

    Outra condio resultante do envelhecimento e crescimento do sistema de abastecimento

    a inadequao dos equipamentos, ou seja, instalaes que ao longo do tempo no so atualizadas

    de acordo as novas necessidades do sistema e tecnologias disponveis, ocasionando equipamentos

    com baixo rendimento e elevado consumo de energia eltrica (SANEAS, 2008).

    Analisando a magnitude e a importncia que a eletricidade representa ao setor de

    saneamento, o que o saneamento representa matriz energtica e o que o custo do consumo da

    eletricidade representa nas despesas das companhias, e congregando os impactos ambientais

    negativos ocasionados pelos aspectos envolvidos no processo de transformao das energias

    primrias presentes nas diversas fontes de origem renovvel e no renovvel em eletricidade,

    diagnostica-se que a eficincia no uso deste to importante recurso beneficia todas as partes

    associadas, bem como propcia o alcance de um desenvolvimento cada vez mais sustentvel.

    Visando o alcance dessa finalidade, o emprego de inversores de freqncia em sistema de

    bombeamento atualmente vem se tornando um aspecto fundamental para a otimizao do

    consumo de energia eltrica e da operacionalidade do sistema.

    3.2.3 Crise energtica brasileira de 2001

    Foi em 1942 que ocorreu o primeiro racionamento de energia eltrica no Brasil, devido

    falta de produo e investimentos do setor diante do consumo. Em 1952, devido necessidade de

  • 16

    expandir o setor, criou-se o BNDE (atual BNDES) para desempenhar na administrao do fundo

    de reaparelhamento econmico, mais tarde foram criadas diversas empresas pblicas como a

    Furnas (1957), Ministrio de Minas e Energia (1960) e a Eletrobrs (1962). (SOUZA, 2008)

    De acordo com Matos Filho (2001, apud SOUZA, 2008), o domnio de participao do

    Estado que j se descrevia desde o final da dcada de 1950 foi concretizado atravs da aquisio

    das empresas da Amforp, em 1964 e do grupo Light, em 1979, caracterizando a completa

    nacionalizao ou estatizao do setor. No perodo de 1945 a 1962 o setor registrou um aumento

    da capacidade de produo de energia eltrica de 8,9% ao ano, mdia essa muito superior

    observada no perodo de 1930 a 1945, que foi de aproximadamente 3,7% ao ano, destacando-se a

    energia hidroeltrica como a principal fonte de gerao de energia eltrica.

    A injeo de capital estatal, aliada interligao dos subsistemas, otimizou de maneira

    substancial o aproveitamento dos recursos hdricos, dando novo impulso indstria do setor

    eltrico.

    Durante as dcadas de 50 e 60, o controle estatal do setor eltrico impulsionou o

    desenvolvimento do mesmo. Nessa poca foram executados grandes projetos, como a construo

    das usinas como Trs Marias, Ilha Solteira e Itaipu. (SOUZA, 2008)

    Na dcada de 70, com o advento da crise mundial originada pelo choque do petrleo, o

    sistema econmico nacional foi impactado pelo processo inflacionrio e de endividamento

    interno e externo, razo pela qual reduziu significativamente a capacidade do Estado em

    mobilizar recursos para investimentos. (SOUZA, 2008)

    Nesse perodo o setor eltrico brasileiro mais uma vez se adentrava em crise, uma vez que o

    Estado induziu as empresas estatais, particularmente as do setor energtico, a um processo de

    endividamento progressivo que culminou a inadimplncia e a ineficincia do setor.

    Na dcada seguinte a crise continuou se agravando, at que em 1988, atravs da instituio

    da Constituio Federal e das influncias de polticas externas de financiamento de crditos dos

    organismos multilaterais que sofreu alteraes extremas no incio dos anos 90, iniciava-se por

  • 17

    meio da desestatizao e abertura para o capital privado, novos caminhos para a reestruturao do

    setor eltrico.

    Na dcada de 90 foram implantadas leis como a n 8.987/95, que regia o novo regime de

    concesso de permisso da prestao de servios pblicos e a n 9.427/96, que instituiu a ANEEL

    em 1996, rgo cujas responsabilidades so legislar e fiscalizar o setor energtico nacional. Em

    2008, por meio da Resoluo n 242 de 24/07/98, a ANEEL estabelecia que as concessionrias do

    servio pblico de distribuio de energia eltrica deveriam aplicar no mnimo 1% da receita

    operacional anual do ano anterior em programas de conservao de energia eltrica. (SOUZA,

    2008; RODRIGUES, 2007)

    Nesse perodo as empresas controladas pela Eletrobrs foram includas ao Programa

    Nacional de Desestatizao que orientava a privatizao do Governo Federal.

    Este novo modelo constitudo tinha como finalidade a abertura de mercado para a entrada

    de novos investidores em substituio ao Estado e sua limitao financeira de investimentos

    necessrios expanso do setor eltrico nacional. (SOUZA, 2008)

    Entretanto, mesmo com essa reformulao os investimentos aplicados ao setor no foram

    suficientemente necessrios para saldar o dficit e suprir a demanda com garantia. Em 1985 foi-

    se criado o Programa Nacional de Conservao de Energia Eltrica (PROCEL), que visa

    promover a racionalizao da produo e do consumo de energia eltrica, para que se eliminem

    os desperdcios e se reduzam os custos e os investimentos setoriais.

    Instituda em 1996, a Agncia Nacional de Energia Eltrica ANEEL, atravs da

    Resoluo n 242 de 24/07/1998, estabeleceu que as concessionrias do servio pblico de

    distribuio de energia eltrica deveriam aplicar no mnimo 1% da receita operacional apurada no

    ano anterior em programas de combate ao desperdcio de energia eltrica.

    Em 1997 o PROCEL estabeleceu uma meta de reduo do desperdcio de energia eltrica

    para as empresas de saneamento da ordem de 15%. (RODRIGUES, 2007)

    Mesmo implantadas essas medidas que tinha por objetivo aumentar a oferta de

    investimentos de recursos no setor, estabelecer metas de reduo de consumo e delegar a

  • 18

    obrigatoriedade de investimentos em programas de conservao de energia eltrica, o dficit

    entre a produo e a demanda ainda no havia sido superado.

    As principais causas que contriburam a esse desfecho foram:

    O liberalismo de mercado que no apresentou os investimentos estimados e necessrios, uma

    vez que as empresas recm privatizadas possuam altas dvidas;

    O agravamento e a iminncia dos impactos ambientais negativos ocasionados na natureza

    pelas aes antrpicas tm culminado ao longo dos ltimos anos com mais mpeto e

    assiduidade, a formao de polticas pblicas e leis que visam mitigar e minimizar os

    impactos, razo pela qual tambm tem contribudo para dificultar a construo de novas

    usinas hidreltricas.

    No ano de 2.000 j era possvel prever a possibilidade de um iminente racionamento de

    energia eltrica caso as chuvas na regio nordeste no ocorressem, os nveis de reservao das

    usinas hidreltricas no viessem a recuperar e os investimentos no setor no fossem aplicados de

    forma imediata. (SOUZA, 2008; RODRIGUES, 2007)

    Naquele momento o Ministrio das Minas e Energia tratava de uma reduo de consumo

    junto aos grandes consumidores, numa espcie de gerenciamento de demandas. Mesmo com essa

    ao a crise do setor energtico foi inevitvel e seu ponto crtico culminou em 2.001 com o incio

    do racionamento de energia atingindo quatro das cinco regies que compem a federao.

    (SOUZA, 2008; RODRIGUES, 2007)

    Por meio da culminante crise energtica que assolava o pas, o governo federal criou em

    2001 a Cmara de Gesto da Crise de Energia Eltrica (CGCE) com o objetivo flexibilizar as

    regras do Estado, propor e implementar medidas de natureza emergencial para equalizar a

    demanda e a oferta de energia eltrica, de forma a evitar interrupes do abastecimento de

    energia eltrica. (SOUZA, 2008)

    Nesse perodo, o processo de outorga de direitos para instalao de novos empreendimentos

    energticos foi desburocratizado, sendo que em muitas vezes no se aplicava licitao, isentava-

    se taxa de compensao financeira a Estados e seus municpios onde as usinas se instalavam e

  • 19

    pagamento por uso das redes de distribuio para usinas que entrassem em operao em

    determinado prazo de tempo. (SOUSA, 2005)

    No incio de 2008, o pas novamente volta a passar por uma situao critica no

    fornecimento de energia eltrica, uma vez que os reservatrios das centrais hidreltricas atingem

    nveis crticos de armazenamento e o fornecimento de gs natural s usinas termeltricas tambm

    afetado, evidenciando mais uma vez a fragilidade do Setor Eltrico Brasileiro.

    Souza (2008) alertou que em 2009 o Setor Eltrico Brasileiro deveria passar por perodos

    crticos, caso as afluncias naturais aos grandes reservatrios do Sistema Interligado Nacional

    (SIN) no fossem favorveis.

    De qualquer forma evidencia-se que o Setor Eltrico Brasileiro precisa urgentemente ser

    ampliado e reformulado, passando a no ficar mais a merc das estruturas atuais e dos fatores

    climticos que afetam a incidncia de chuvas e conseqentemente o armazenamento de gua nos

    reservatrios das principais centrais hidreltricas do pas, haja vista o potencial de explorao da

    prpria energia hidreltrica e de outras fontes de energia renovveis e pouco impactantes como a

    biomassa, a elica e solar.

    3.2.4 Estrutura tarifria de energia no Brasil

    O desenvolvimento de aes de eficientizao energtica para reduo de custos se baseia

    em conhecer a estrutura tarifria para interpretar e analisar uma conta de energia. (COURA,

    2007)

    A estrutura tarifria possui dois grupos e trs modalidades de tarifas que so definidas

    segundo dois segmentos de horrios (PONTA E FORA DE PONTA) e dois segmentos sazonais

    (PERODO SECO E PERODO MIDO). O grupo denominado A abriga os consumidores que

    compram energia em tenso igual ou superior a 2,3 kV (2.300 Volt), por isso ele tambm

    conhecido como grupo de alta tenso. Nesse grupo h cinco subgrupos de classificao que esto

    apresentados na Tabela 4.

  • 20

    Tabela 4. Subgrupos tarifrios A.

    Subgrupo Tenso de fornecimento

    A1 Acima 230 kV

    A2 88 kV a 138 kV

    A3 69 kV

    A3a 30 kV a 44 kV

    A4 2,3 kV a 25 kV

    AS Abaixo de 2,3 kV

    Fonte: COURA, 2007

    J o grupo B classifica os consumidores que recebem energia em tenso inferior a 2,3 kV,

    ou seja, conhecido como grupo de baixa tenso. Esta ltima modalidade mais simples, pois o

    consumidor tarifado apenas pelo consumo, cujas classificaes esto descritas na Tabela 5.

    (COURA, 2007; VICENTE, 2005)

    Tabela 5. Subgrupos tarifrios B.

    Subgrupo Tipo de consumidor

    B1

    Residencial e Residencial

    de baixa renda

    B2 Rural; Cooperatica eltrica

    Rural e Servio pblico de

    irrigao

    B3 Demais classes

    B4 Iluminao pblica

    Fonte: COURA, 2007

    O setor de saneamento bsico, gua e esgoto se enquadram no subgrupo A4 (Tabela 4),

    onde as tarifas so reguladas pela concessionria distribuidora de energia especfica da regio

    sendo, o contedo informacional das contas de energia, regulado pela ANEEL. J em relao ao

  • 21

    grupo B, as instalaes das operadoras dos sistemas de saneamento se enquadram no subgrupo

    B3 (Tabela 5). (COURA, 2007)

    As modalidades tarifrias podem ser classificadas em:

    Convencional Tarifas fixas de consumo e demanda para todos os perodos do ano;

    Horo-Sazonal Verde Tarifas de consumo que so diferentes em determinadas horas do

    dia (PONTA E FORA DE PONTA) e tambm em determinados perodos do ano

    (PERODO SECO E MIDO). Porm essa modalidade apresenta uma nica tarifa de

    demanda para todos os horrios e perodos do ano;

    Horo-Sazonal Azul Tarifas de consumo diferenciadas de acordo com as horas do dia e

    os perodos do ano e tarifas de demandas diferentes apenas em determinadas horas do dia.

    Os segmentos Horo (HORRIO DE PONTA E FORA DE PONTA) e Sazonal (PERODO

    SECO E MIDO) definem o valor da tarifa para o grupo A e seus respectivos subgrupos.

    (VICENTE, 2005)

    Horrio de ponta o perodo de trs horas em que as tarifas so mais caras em relao s

    demais horas do dia, geralmente esse perodo das 17h30m at 20h30m e apenas de segunda a

    sexta-feira. O objetivo principal do horrio de ponta economizar energia em equipamentos

    eltricos no perodo de horas em que o consumo maior (horrio de pico). (COURA, 2007)

    Horrio fora de ponta o perodo que abrange s 24 horas com exceo das trs horas de

    ponta.

    O perodo seco caracteriza-se de maio a novembro e possui as tarifas mais caras em relao

    aos outros meses com o intuito de racionalizar o uso de energia eltrica. O perodo mido

    compreende nos cinco meses restantes, de dezembro a abril do ano seguinte. (VICENTE, 2005)

    Na modalidade tarifria Convencional feito um contrato de demanda (kW), onde

    estipulado um valor nico de energia em kW para os horrios de ponta e fora de ponta e a

    Resoluo ANEEL n 456 determina ainda uma tolerncia de 10% sobre a demanda contratada.

    Porm quando o valor superior ao da demanda contratada e da tolerncia tem-se uma demanda

  • 22

    denominada de ultrapassagem, sendo que o valor excedente tratado como multa por demanda

    de ultrapassagem. (COURA, 2007)

    Uma das alternativas para se ter eficientizao energtica e conseqentemente economia na

    conta de energia evitar o pagamento da multa por baixo fator de potncia corrigindo o fator de

    potncia para 0,92. (COURA, 2007)

    Conforme legislao, o fator de potncia ou energia reativa verificado nos perodos

    indutivo (entre 6 horas e zero hora) e capacitativo (entre zero hora e 6 horas). Por ser uma energia

    no faturada pela concessionria, o fornecimento dela restrito ao valor 0,92. Em qualquer

    perodo (indutivo ou capacitativo) se o fator de potncia estiver abaixo de 0,92 significa que est

    ocorrendo consumo excessivo, onde o excedente cobrado na multa por baixo fator de potncia.

    (COURA, 2007; VICENTE, 2005)

    3.3 Simulao computacional hidrulica

    O uso de softwares de simulao hidrulica veio consideravelmente modificar os sistemas

    de clculo e anlise de problemas hidrulicos, demonstrando-se um recurso importante gesto

    de sistemas de abastecimento e deteco de vazamentos.

    Projetos referentes a expanses e ampliaes de sistemas de abastecimento so executados

    por meio de mtodos e expresses convencionais que demandam perodos consideravelmente

    extensos para obteno de resultados, tardando as tomadas de decises.

    Por isso a disposio de uma ferramenta que simula as condies de um sistema de

    abastecimento de gua pode, alm de coordenar a deteco de vazamentos, orientar as ampliaes

    e aes que se faro necessrias para o suprimento das demandas atuais e futuras, atravs da

    compilao de dados referentes vazo, presso, velocidade de escoamento e outras variveis

    cujo controle e conhecimento so essenciais para a gesto do sistema.

  • 23

    Desenvolvida no incio dos anos 60, essa ferramenta muito utilizada pela sua flexibilidade

    de representar qualquer fenmeno, podendo ser analisado detalhadamente ou com nfase na

    operao desejada, de forma isolada ou em conjunto com outras tcnicas. Essa simulao

    baseada em reproduzir o comportamento real de um sistema, atravs de um conjunto de

    ferramentas e equaes matemticas.

    A este equacionamento matemtico associado um mtodo numrico de soluo e ento

    transformados em uma seqncia ordenada de comandos. No necessrio que o modelo

    reproduza todos os componentes fsicos do sistema, mas talvez somente aqueles significativos,

    dependendo da confiabilidade exigida e do uso a que se destina o modelo. Na prtica, a

    modelao de uma rede se reduz ao estudo de um esquema simplificado da mesma, cujas

    tubulaes se associam os parmetros adequados para reproduzir, o mais fielmente possvel, seu

    comportamento efetivo. (GUMIER; LUVIZOTTO JR, 2007)

    O processo de modelagem computacional compreende uma srie de passos seqenciais,

    recursivos e inter-relacionados. O resultado uma ferramenta de fcil compreenso do sistema

    simulado, que muitas vezes pode ser complexo e de difcil entendimento. (AZEVEDO; PORTO;

    FILHO, 2000)

    De acordo com Azevedo; Porto e Filho (2000), a simulao matemtica compreende as

    seguintes etapas:

    Entendimento do fenmeno para desenvolvimento de um modelo computacional que

    responda as questes do problema a ser resolvido;

    Delimitao dos objetivos, restries e critrios de forma consistente, afinal,

    compreendem o passo mais importante do processo de modelagem;

    Especificaes das variveis, parmetros e propriedades para a formulao do modelo, e

    ento a seleo de equaes matemticas e os algoritmos necessrios para expressar as

    relaes entre os processos (sendo essas tericas, empricas ou operacionais);

    Anlise da estrutura, da lgica e da formulao, para certificao que o modelo atende a

    realidade e os seus propsitos;

    Fornecimento de dados e valores para calibrao, checando a concordncia do simulador

    com o sistema real;

  • 24

    Avaliao do simulador, para constatar se necessria a modificao de alguma etapa

    (com exceo dos objetivos, restries e critrios);

    Realizao de testes, como o teste de sensibilidade, para identificar a proximidade com os

    valores do sistema real e,

    Simulao do sistema, para conferir se atende os propsitos por que foi elaborado.

    As etapas acima esto resumidas na Figura 1.

    Figura 1. Processo de desenvolvimento de um simulador.

    O avano da tecnologia faz com que esses simuladores atendam cada vez mais as

    necessidades de seus usurios, resolvendo os mais complexos clculos matemticos de maneira

    rpida e precisa. (PALO, 2010)

    Salienta-se que o sucesso da simulao em modelagens certamente ocorreu devido aos

    expressivos avanos da tecnologia da informao. (VICENTE, 2005)

    O uso de simuladores hidrulicos minimiza custos, que so altos na simulao real dos

    sistemas, facilitam o aprendizado por simplificar a obteno e compreenso dos resultados,

    estimulam a concepo de novas idias e linhas de ao, so eficientes para treinamentos,

    permitem a previso de impactos no sistema entre outros pontos positivos. (VICENTE, 2005)

    A grande desvantagem da tcnica de simulao que no oferece aos usurios a

    oportunidade de restringir o espao decisrio e, por conseqncia, a soluo de problemas

    alcanada atravs do exaustivo processo de tentativa e erro (Azevedo et al, 2000).

    Atualmente existem no mercado diversos modelos e softwares de modelagem matemtica

    para desenvolvimento de anlises hidrulicas em redes, sendo alguns:

    PROBLEMA OBJETIVOS DADOS MODELO

    SIMULAO CALIBRAO AVALIAO

  • 25

    H2ONET H2OMap Montgomery Watson Inc.;

    SynerGEE Stoner Workstation Service;

    EPANET Environmental Protection Agency;

    WaterCAD - Bentley's Haestad Methods;

    Pipe2000 KYPipe;

    FINESSE Water Software Systens;

    PICCOLO Safege, entre outros.

    O modelo simulador hidrulico utilizado no presente trabalho o EPANET, que

    indiscutivelmente considerado o programa de modelagem hidrulica e de qualidade de gua mais

    utilizado no mundo todo. (CUNHA, 2009; EPANET, 2011)

    3.4 EPANET

    O EPANET um programa de computador, criado pela U.S. Environmental Protection

    Agency - EPA, que a agncia estatal dos Estados Unidos da Amrica encarregada pelo

    Congresso de proteger os recursos naturais (terra, ar e recursos hdricos).

    Esse programa um modelo automatizado que permite simular o comportamento

    hidrulico esttico e dinmico e de qualidade da gua de sistemas de distribuio de gua

    pressurizados sujeitos a diversas condies operacionais, durante um determinado perodo de

    funcionamento.

    O EPANET foi formulado para ser uma ferramenta estratgica de gesto operacional de

    sistema de distribuio de gua.

    Para a resoluo do conjunto de equaes no lineares que caracterizam os escoamentos

    sob presso em um dado instante, especificamente as equaes da continuidade, conservao de

    energia, resistncia ao escoamento e a relao entre a vazo e a perda de carga, o modelo

    EPANET utiliza o Mtodo Hbrido N-Malha, tambm designado por Mtodo do Gradiente.

  • 26

    As principais caractersticas desse simulador so:

    Dimenso ilimitada do nmero de componentes da rede ser a analisada;

    Clculo da perda de carga utilizando as frmulas alternativas de Hazen-Williams, Universal

    ou Chezy-Manning;

    Modelao de bombas de rotao constante ou varivel;

    Clculo da energia de bombeamento e do seu custo;

    Modelao de diversos tipos de vlvulas, entre elas, vlvulas de seccionamento, reteno,

    reguladoras de presso e de vazo;

    Aplicao de curvas de consumo nos ns.

    Para simulao do comportamento hidrulico de um sistema de distribuio de gua

    utilizando um software de simulao hidrulica necessrio introduzir ao modelo as

    caractersticas topolgicas do sistema, bem como as suas condies de contorno. (CUNHA, 2009;

    EPANET, 2011)

    A preciso do modelo hidrulico est diretamente associada calibrao do mesmo,

    portanto faz-se necessria uma anlise para a validao da calibrao antes do modelo ser

    aplicado para tomada de deciso. (VICENTE, 2005)

    No item 3.3 esto apresentadas de forma resumida as aplicaes para a construo

    topolgica do modelo analisado nessa pesquisa.

    3.5 Mtodos de controle de vazo e presso em sistemas de recalques

    Sistemas de distribuio de gua abastecidos diretamente por estaes elevatrias ou

    boosteres, de forma geral, em funo da curva de demanda do sistema so submetidos s

    condies operacionais tecnicamente e economicamente desfavorveis. Isso se deve, pelo fato

    das demandas de consumo variarem constantemente ao longo de um perodo de consumo.

  • 27

    Nesse sentido, o controle da vazo em funo da demanda pode ser considerado um recurso

    essencialmente necessrio, uma vez que possibilita manter a presso constante ou em um valor

    operacional previamente estabelecido. (GURGEL, 2006)

    Em sistemas de bombeamento convencionais, o controle de vazo pode ser realizado por

    meio dos seguintes mtodos.

    3.5.1 Controle de vazo por estrangulamento de vlvulas

    Esse mtodo um dos mais utilizados. O conceito o deslocamento do ponto de operao,

    atravs do aumento da perda de carga ocasionado pelo estrangulamento da vlvula (reduo do

    dimetro da tubulao).

    Observa-se na Figura 2 uma instalao de bombeamento utilizando a abertura e fechamento

    de uma vlvula para variar a vazo em razo da alterao da altura manomtrica ocasionada pela

    perda de carga localizada na vlvula.

  • 28

    Figura 2. Abertura e fechamento de vlvula.

    Fonte: (VIANA, 2010)

    3.5.2 Controle de vazo por by-pass na sada da bomba

    O controle de vazo por esse mtodo feito atravs da abertura da vlvula instalada no tubo

    de by-pass da bomba. Nesse caso, a vazo de recalque diminui medida que se aciona a

    abertura da vlvula, uma vez que a bomba passa a recalcar uma vazo de retorno pelo by-pass.

    A Figura 3 apresentada abaixo demonstra uma instalao de bombeamento com by-pass.

  • 29

    Figura 3. By-pass em instalao de bombeamento.

    Fonte: (VIANA, 2010)

    3.5.3 Variao de velocidade de rotao da bomba com uso de inversor de freqncia

    O controle por esse recurso realizado por meio da variao da velocidade de rotao da

    bomba, que ao ser sofrer alteraes provoca o deslocamento da curva da bomba sobre a curva do

    sistema, conforme indica a Figura 4.

  • 30

    Figura 4. Variao da curva da bomba pela alterao da velocidade de rotao provocada pelo

    inversor de freqncia.

    Fonte: (MACYNTIRE, 1987)

    3.6 Inversor de freqncia

    De acordo com Tsutiya (2004, apud Gurgel, 2006) o inversor de freqncia um

    equipamento eltrico acoplado, entre outros, aos conjuntos moto-bomba, capaz de produzir uma

    variao dos valores da freqncia eltrica que alimenta o motor, produzindo uma variao da

    sua rotao ou velocidade.

    No incio dos anos 70 os tradicionais equipamentos que produziam variao de

    velocidades de rotao em mquinas hidrulicas eram os variadores mecnicos, hidrulicos e

    eletromagnticos. (GURGEL, 2006)

  • 31

    Os variadores mecnicos utilizavam o motor de induo, polias, correias e outros

    dispositivos para promover a reduo da velocidade. J os variadores hidrulicos operavam

    atravs de acoplamentos hidrulicos e os eletromagnticos usavam um sistema de discos

    acoplados a bobinas que podiam ter o seu campo magntico, e conseqentemente, a variao da

    velocidade na sada do variador. (GURGEL, 2006; WEG)

    A descrio do esquema de funcionamento e de seus principais componentes est

    apresentada no esquema eltrico representado pela Figura 5.

    Figura 5. Esquema eltrico dos principais componentes de um inversor de freqncia.

    Fonte: (GURGEL, 2006)

    Sendo:

    I Circuito Retificador;

    II Circuito Intermedirio;

    III Circuito Inversor (Chave eletrnica).

    A concepo de funcionamento desse equipamento formulada por meio das tenses

    alternadas de entrada, caracterizadas por R, S e T, que ao passarem pelo circuito retificador (I)

    convertida em tenso contnua, que por sua vez filtrada no circuito intermedirio (II). Tal tenso

    contnua alimenta o circuito inversor, que atravs de transistores fornece um conjunto de

    correntes alternadas de freqncia (U, V e W) e de tenso variveis, conforme indica a Figura 6.

    (GURGEL, 2006)

  • 32

    Figura 6. Componentes principais de um inversor de freqncia.

    Fonte: (GURGEL, 2006)

    H dois tipos de inversores de freqncia, o de princpio de controle escalar e o de

    vetorial. O inversor quando operado com controle escalar, o motor eltrico produz rudo, cuja

    intensidade varia de acordo com a velocidade de rotao, situao essa que no ocorre quando o

    controle vetorial. A WEG relata que esse fenmeno produzido porque no controle vetorial a

    onda gerada se aproxima de uma onda senoidal perfeita, caso que no ocorre no escalar.

    (RODRIGUES, 2007; WEG)

    O uso de motores eltricos de induo alimentados por inversores de freqncia vem se

    tornando um recurso cada vez mais atrativo e aplicvel, devido s vantagens no controle

    operacional e na economia de consumo de eletricidade, e tambm pela reduo do seu custo.

    (GURGEL, 2006)

    Tsutiya (2004, apud Gurgel, 2006) alerta que h critrios para a escolha do motor eltrico

    que trabalhar com um inversor de freqncia. O inversor sempre dever ter a sua corrente

    nominal maior ou igual corrente nominal do motor eltrico, pois o inversor poder ter vrias

    correntes nominais diferentes em funo do tipo de carga e da freqncia do chaveamento.

    O dimensionamento dos inversores pode ser feito a partir dos dados da corrente nominal

    do motor eltrico e da tenso, que podem ser combinados com o auxilio do catlogo do

    fabricante.

  • 33

    3.6.1 Efeito do inversor de freqncia no bombeamento

    A velocidade de rotao das mquinas hidrulicas, quando submetida a alteraes,

    provoca mudanas no funcionamento da bomba e no ponto de operao do sistema.

    Os efeitos na curva caracterstica de uma bomba centrfuga de um mesmo rotor, operada

    em diferentes velocidades de rotao, so calculados pelas leis de semelhana fsica das

    mquinas hidrulicas rotativas. (VIANA, 2010; RODRIGUES, 2007; GURGEL, 2006;

    MACINTYRE, 1987)

    N

    Q

    N

    Q

    R

    R = Relao vazo x rotao (1)

    22 N

    H

    N

    H

    R

    R = Relao carga x rotao (2)

    33 N

    P

    N

    P

    R

    R = Relao potncia x rotao (3)

    22 N

    T

    N

    T

    R

    R = Relao torque x rotao (4)

    22 N

    NPSH

    N

    NPSH R

    R

    RR = Relao NPSH Requerido x rotao (5)

    Sendo,

    NR e N = Velocidade de rotao da bomba;

    QR e Q = Vazo relativa rotao da bomba;

    HR e H = Altura manomtrica total relativa rotao da bomba;

    PR e P = Potncia consumida da bomba relativa rotao da bomba;

    T1 e T = Torque relativo rotao da bomba;

    NPSHRR e NPSHR = NPSH relativo rotao da bomba;

  • 34

    O efeito da variao da rotao sobre os parmetros caractersticos operacionais da bomba

    pode ser deduzido com base nas leis de semelhana acima descritas:

    Curva carga x vazo para a rotao nominal NR (6)

    A curva de carga x vazo para um rotao N pode der descrita, tendo por base as equaes

    1, 2 e 6:

    Da equao 2: RRR

    R HN

    NHN

    N

    HH

    ==

    2

    22

    Assim: ( ) 2222

    22

    R

    R

    R

    RR

    RR

    R

    cQN

    NbQ

    N

    Na

    N

    NcQbQa

    N

    NH

    +

    +

    =++

    =

    Da equao 1: RR

    QN

    NQ

    =

    Assim:

    +

    +

    = cQ

    N

    Nb

    N

    NQ

    N

    Na

    N

    NH R

    RR

    R

    RR

    222

    Q 2Q

    22

    cQQN

    Nba

    N

    NH

    RR

    +

    +

    = Curva carga x vazo para a rotao N (7)

    J a curva de potncia para uma rotao N pode der descrita, tendo por base a equao 3:

    RR

    PotN

    NPot

    =

    3

    Sendo:

    2RR cQbQaH ++=

    R

    RRR

    HQPot

    =

  • 35

    Assim: R

    RR

    R

    HQ

    N

    NPot

    =

    3

    Curva de potncia para a rotao N (8)

    A Figura 7 mostra o campo bsico de funcionamento de uma bomba centrfuga,

    conhecido como diagrama de colina, que apresenta a relao entre vazo (Q), altura manomtrica

    (H), curvas de rendimento total (t) para diferentes velocidades de rotao (n1 a n4) constantes.

    (VIANA (2010)

    Figura 7. Diagrama de colina de uma bomba centrfuga.

    Fonte: (VIANA, 2010)

    A Figura 8 apresenta a interseo das curvas caractersticas da bomba com as curvas

    caracterstica do sistema, para as rotaes N1, N2 e N3.

  • 36

    Figura 8. Relaes caractersticas de bombas centrfugas.

    Fonte: (GURGEL, 2006)

    3.6.2 Reduo de custos com aplicao de inversores de freqncia em bombas de rotao

    varivel

    Em uma ampla pesquisa bibliogrfica sobre o uso de inversor de freqncia em sistemas

    de abastecimento de gua, pode-se averiguar que o preponderante objetivo de aplicao do

    mesmo nas companhias de saneamento a economia de consumo de energia eltrica e, em

    seqncia, a otimizao operacional do sistema.

  • 37

    A COMUSA - Companhia Municipal de Saneamento de Novo Hamburgo, por meio de

    um programa de conservao de energia eltrica, iniciou em 2004 a aplicao de inversores de

    freqncia nas mquinas hidrulicas submersas que abastecem um setor do sistema de

    distribuio de gua da cidade de Novo Hamburgo RS, e registraram uma reduo mensal de

    consumo de energia eltrica de 62,3%, um resultado expressivamente satisfatrio, que certamente

    contribuiu ao alcance das metas estabelecidas pelo programa e tem servido de modelo para ser

    aplicado s demais estaes pressurizadoras da cidade. (ALTMANN; LANG; RIGON)

    No sistema de abastecimento de gua do municpio litorneo de Ubatuba SP, operado

    pela companhia estatal SABESP, foi registrada uma economia mdia de energia de 30% na

    operao da estao pressurizadora denominada Booster Toninhas. (GURGEL, 2006)

    A operao do motor eltrico a uma velocidade de 80% da nominal resulta em uma

    economia de consumo de energia eltrica da ordem de 50%. J a fabricante de motores eltricos e

    inversores de freqncia WEG cita que a aplicao de inversores em bombas centrfugas com a

    reduo controlada da potncia dos motores resulta uma economia de energia eltrica entre 20 a

    50%. Atravs da lei de semelhana uma reduo de 10% nas velocidades de rotao das

    mquinas hidrulicas representa uma economia de energia eltrica de 27%. (GURGEL, 2006)

    3.6.3 Vantagens e desvantagens do uso do inversor de freqncia

    O uso de inversores de freqncia em sistemas de abastecimento de gua proporciona as

    seguintes vantagens:

    Reduo de consumo e gastos com energia eltrica devido ao uso eficiente do recurso;

    Adequao das presses a uma faixa operacional prximas aos nveis mnimos

    requeridos;

    Variao de vazo sem gerao de perda de carga;

    Reduo de rompimentos de redes provocados por excesso de presso e, por

    conseguinte, reduo de perdas fsicas;

  • 38

    Controle operacional das bombas ajustvel, que pode ser feito remotamente pelo

    Centro de Telecontrole;

    Minimizao do transiente hidrulico provocado durante o acionamento e a

    desativao (parada) de bombas, pois o conjunto moto-bomba pode ser acelerado e

    desacelerado gradativamente, de acordo com a parametrizao pr estabelecida. Com

    isso reduzem o stress no motor, bomba e acoplamento;

    Aplicvel em motores assncronos e sncronos;

    Aumento da vida til de equipamento e acessrios, tais como mancais e vedaes;

    Reduo do nvel de rudo, vibrao e cavitao, e simplificao da instalao, atravs

    da eliminao de vlvulas, que em dados momentos so ou podem ser parcialmente

    abertas para controle de fluxo;

    Melhoria no fator de potncia do equipamento;

    Contribui diretamente ao uso racional dos recursos naturais e a sustentabilidade

    ambiental, uma vez que o uso eficiente reduz o consumo de tal recurso,

    proporcionando o tardamento de investimento necessrio para o aumento de produo

    de eletricidade e conseqente evita a formao de impactos ambientais (aquecimento

    global, desertificao, poluio da gua, ar e solo, entre outros) que potencialmente

    so provocados no processo de transformao de ener