INSTALAÇÃO DE ELETRODIÁLISE ACIONADA POR PAINÉISFOTOVOLTAICOS

PAULO CESAR MARQUES DE CARVALHO, SANDRO CÉSAR SILVEIRA JUCÁGrupo de Processamento de Energia e Controle, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade

Federal do Ceará.Caixa Postal 6001, Campus do Pici, CEP 60455-760, Fortaleza, CE, Brasil

RESUMO

Este artigo descreve estudo de um sistemacombinado utilizando as tecnologias de eletrodiálise efotovoltaica e a possível aplicação deste sistema noNordeste do Brasil.

O processo de eletrodiálise consistebasicamente na transferência de íons da água a serdessalinizada através de membranas de cátions eánions para um fluxo de concentrado. O produtodeste processo são os fluxos de água potável, comconcentração de sal dentro dos limites para oorganismo humano e o de concentrado, com a maiorparte do sal presente na água original.

A utilização de painéis fotovoltaicos para oacionamento deste processo, visando a dessalinizaçãode grandes reservas de água salobra oriundas depoços profundos, é viável devido à existência, emregiões áridas e semi-áridas, de uma estruturadeficiente do abastecimento de água potável, ao fatodo interior do Nordeste ser caracterizado por umbaixo grau de eletrificação, e ao uso direto peloprocesso de eletrodiálise da corrente contínuaproveniente dos painéis fotovoltaicos.

ABSTRACT

This paper describes the survey of acombined electrodialysis and PV system and itsapplication in the Brazilian Northeast region.

The process of electrodialysis consists in thetransference of ions out of the water whose excess ofsalt shall be taken away through a membrane ofcation and anion to a concentrated flow. The resultsare the flows of drinkable water with a properquantity of salt to human organism and theconcentrated one that has got mostly the salt from theinitial water.

The use of PV arrays to power that plant,which aims to take away the excess of brackish waterfrom deep wells, is feasible in arid and half aridregions. At those places there is a deficient watersupply, a short grid and a high level of solarradiation. The latter being the main way to drive theplant of desalination and spread the electrodialysisprocess of direct current by PV arrays.

1. INTRODUÇÃO

A área do chamado Polígono da Seca no

interior do Nordeste compreende cerca de 950.000

km2 (60% da superfície total da região),

representando a porção mais seca da mesma. Os

resultados de uma seca dependem da capacidade de

resistência e de convivência da população atingida:

quanto mais carente e despreparada, maiores serão os

reflexos da seca. Na tentativa de resolver o problema

de abastecimento de água tem-se utilizado de duas

estratégias básicas:

• a construção de açudes, visando o armazenamento

da água superficial;

• a perfuração de poços, visando aproveitamento da

água subterrânea.

Os açudes, devido às extensas superfícies de

água expostas ao sol, facilitam a evaporação de

grandes quantidades de água. Cada porção de água

que é evaporada deixa sobre o solo um determinado

volume de sais. Este processo já tem causado a

impossibilidade do uso de alguns açudes, devido à

existência de elevados teores de salinidade. Um outro

fator limitante para a utilização de muitos açudes

constitui a contaminação dos mesmos através de

fezes humanas e de animais. Apesar desta

problemática esta água é consumida por uma grande

parte da população rural do Nordeste. O transporte da

água até as comunidades isoladas se dá através de

baldes ou através de carros pipa. O uso de água

contaminada é uma das causas da alta mortalidade

infantil na região. A substituição dos carros pipa por

soluções efetivas constitui, portanto, tarefa de grande

prioridade.

Através da perfuração de poços em locais

adequados, é possível a obtenção de água do subsolo

livre de contaminação em grandes volumes. De

acordo com estudos realizados pela Associação

Brasileira de Águas Subterrâneas (ABAS), pelo

menos 19,5 bilhões de metros cúbicos de água

poderiam ser extraídos por ano do subsolo nordestino

sem o risco de esgotamento dos mananciais [8]. No

entanto, os poços localizados no interior do Nordeste

apresentam com freqüência elevado teor de sal na

água. O processo ocorre devido ao contato no subsolo

entre a água e a rocha cristalina, levando a um

processo de salinização deste aqüífero ao longo do

tempo. Para cumprir sua função no corpo humano, a

água deve possuir sais. Esta concentração não pode

ultrapassar um certo limite; caso isto ocorra,

prejuízos irreparáveis são causados à saúde humana.

Segundo a Organização Mundial de Saúde, a água

potável deve ter uma concentração de sal de 500

ppm; a partir deste valor a água é considerada salobra

e para concentrações em torno de 33.000 ppm temos

a água do mar.

Um fato observado no semi-árido nordestino

é que determinadas populações são obrigadas ao

consumo de água com níveis de salinidade acima dos

padrões recomendados, devido à falta de alternativas.

Este fato tem sido verificado em diversas

comunidades rurais, onde a fonte de abastecimento é

feita através de poços perfurados no aqüífero

cristalino, sendo observada uma alta taxa de sais.

Cerca de 788.358 km2 da região encontram-se sobre

terreno cristalino, o que corresponde a 51% da área

total do Nordeste. Com exceção do Piauí, todos os

estados do Nordeste localizados no Polígono da Seca

possuem a maior parte de suas áreas sob terreno

cristalino como indica a figura 1 [8].

Figura 1: Classificação dos terrenos encontrados na regiãoNordeste do Brasil [8]

Como a tecnologia fotovoltaica tem provado

sua viabilidade tanto econômica quanto técnica em

regiões remotas sem rede elétrica com sistemas de

bombeamento de água e de iluminação, a

dessalinização de água salobra vem sendo uma área

de pesquisa com excelentes perspectivas. Podemos

citar como exemplo o sistema de dessalinização

utilizando a tecnologia de osmose reversa acionada

por painéis fotovoltaicos feito na comunidade carente

de Coité – Pedreiras no município de Caucaia,

distante cerca de 25 km de Fortaleza, que fornece

água potável proveniente de um poço de água salobra

com vazão nominal de 0,25 m3 por hora [3].

2. PROCESSO DE

ELETRODIÁLISE

Para deixar a água salobra oriunda de poçosprofundos em condições de uso, deve ser a mesmatratada. Para este objetivo tem assumido umaimportância crescente nos últimos anos a tecnologiada eletrodiálise, ocupando um espaço antespreenchido pelos processos de dessalinizaçãobaseados em mudança de fase (processos térmicos).

O processo de eletrodiálise consistebasicamente na transferência de íons da água a serdessalinizada através de membranas de cátions eánions para um fluxo de concentrado conforme afigura 2.

Através desta divisão, são originados doisfluxos:• fluxo de água potável, com concentração de sal

dentro dos limites para o organismo humano;• fluxo de concentrado, com a maior parte do sal

presente na água original.

Figura 2. Processo de eletrodiálise

Os principais motivos que levam ao uso cadavez maior da eletrodiálise a nível mundial são ogrande desenvolvimento alcançado na fabricação demembranas, através da pesquisa de novos materiais, eo baixo consumo de energia apresentado por este

processo para tratamento de águas salobras, quandocomparado com processos térmicos tradicionais.Dessa forma, a presente pesquisa pretende contribuirpara a superação da problemática da estruturadeficiente de abastecimento de água, através doestudo de viabilização de uma instalação deeletrodiálise acionada por painéis fotovoltaicos.

A água salobra oriunda do poço profundo éacumulada em reservatórios. Uma parte desta água édessalinizada; outra parte permanece nosreservatórios, sendo usada pela população para outrosfins que não o de alimentação. A água potável quedeixa a instalação de eletrodiálise poder serarmazenada em um outro reservatório específico,visando o abastecimento da população. Oconcentrado pode ter os seguintes destinos:• reservatório aberto, onde a água é evaporada e o

sal deixado pode ser usado para alimentaçãohumana e de animais;

• coletor solar, onde a água evaporada écondensada e pode ser então adicionada à águapotável, aumentando a produção da instalação;

• para descargas sanitárias de uma escola ou postode saúde da comunidade;

• Para irrigação de plantas que suportam alto teorde sal (erva do sal).

3. ACIONAMENTO FOTOVOLTAICO

A utilização de painéis fotovoltaicos para oacionamento de instalações de eletrodiálise visando adessalinização de águas salobras oriundas de poçosprofundos é viável principalmente devido:• ao uso direto da geração de corrente contínua dos

painéis fotovoltaicos pelo processo deeletrodiálise;

• ao fato do interior do Nordeste ser caracterizadopor um baixo grau de eletrificação;

• aos níveis de radiação solar que influenciamdiretamente na quantidade de energia gerada pelopainel fotovoltaico.

Medições feitas em Coité - Pedreiras no estado doCeará demonstram estes níveis de radiação solar emKWh/m2.dia indicados na tabela 1:

MÊS Média da Radiação Mensal 2001 (KWh/m2.dia)Janeiro 4,5

Fevereiro 4,4Março 4,5Abril 4,2Maio 5,2Junho 5,6Julho 5,5

Agosto 5,7Setembro 5,4Outubro 5,2

Novembro 5,1Dezembro 4,9

Tabela 1: Médias de Radiações mensais em Coité-Pedreiras no Ceará

Instalações de eletrodiálise acionadas porpainéis fotovoltaicos no interior do Nordeste podemcontribuir de forma significativa para a geração deuma infraestrutura mínima no semi-árido.

Com isto busca-se a redução do êxodorural e a criação de uma base econômica quegaranta a sobrevivência das populaçõesinterioranas.

4. CONHECIMENTOS EXISTENTESSOBRE O ASSUNTO A NÍVEL MUNDIAL

Para projetar esse sistema pioneiro no

Brasil, foram feitas pesquisas de Instalações de

eletrodiálise acionadas por Painéis fotovoltaicos a

nível mundial.

As principais experiências comprovadasestão localizadas em Tanot na Índia, no ValeSpencer nos Estados Unidos e na cidade de Fukueno Japão.

Em tanot na Índia a água salobra apresentadureza entre 4500 a 5000 ppm estando disponívelem poços abertos com profundidades de 25 a 45metros e é extraída geralmente com ajuda decamelos.

Uma planta de eletrodiálise acionada porpainéis fotovoltaicos de 450 Wp com capacidade de1m3 por dia foi instalada para fornecer água potávelem torno de 1000 ppm de dureza para populaçãolocal. O arranjo fotovoltaico consiste em seiscélulas padrões de 30 watts de pico conectados emsérie, e em três séries agrupadas em paralelo parafornecer uma tensão do circuito aberto de

aproximadamente 118 volts e de corrente decircuito curto de aproximadamente 5,5 ampères.

A água salobra de aproximadamente 5000ppm de dureza é bombeada para uma caixa d’águaatravés de uma bomba movida por um motordiesel, e a planta de eletrodiálise é alimentada porgravidade através do painel de distribuição de fluxo.São ajustadas as taxas de fluxo e diluição doconcentrado. Depois que o potencial elétrico dospainéis fotovoltaicos é aplicado, a água édessalinizada [7].

Esse sistema de dessalinização, mostradona figura 3, utiliza o tanque de armazenamento deágua para suprir a ausência de baterias e um motordiesel no lugar de um motor elétrico acionado pelospainéis para acionar a bomba de água,caracterizando-se assim como um sistema híbrido.

Figura 3: Instalação de eletrodiálise acionada porpainéis fotovoltaicos de Tanot – Índia [7]

O Vale Spencer é representante de muitascomunidades remotas espalhadas pelo sudoeste dosEUA que necessitam de suprimento de águapotável.

A planta fotovoltaica do Vale Spencerconsiste em dois sistemas elétricos separados: doisarranjos para a bomba de água e três arranjos para aunidade de eletrodiálise [5].

A cidade de Fukue, na prefeitura deNagasaki, no Japão, foi escolhida como planta dedemonstração em 1988 e um protótipo foi feitousando um programa de simulação do sistema.

Após análise, o projeto e a construçãoforam concluídos e a operação começou em julho1990.

A inspeção periódica da eficiência dosistema mostrou a comparação satisfatória entre osvalores de simulação e os valores obtidos naoperação da planta demonstrativa [2].

As características das plantas citadas sãomostradas na tabela 2.

Tais experimentos têm mostrado aviabilidade para dessalinização de água comconcentração de até 5.000 ppm e a grande vantagemé a obtenção de água potável proveniente da águasalobra das regiões áridas e semi-áridas distantesdos grandes centros urbanos, sem a utilização darede elétrica, o que caracteriza os locais das plantascitadas, e a maior parte do semi-árido nordestino.

Nota-se que é maior a razão da vazão deágua produzida pela potência dos painéisfotovoltaicos para águas salobras com baixos níveisde dessalinização.

CARACTERÍSTICAS

PLANTA EM FUKUE

JAPÃO

PLANTA EM TANOT

- ÍNDIA

PLANTA NO VALE

SPENCER - EUA

POTÊNCIA DOS PAINÉIS

FV (Wp) 65.000 450 100

VAZÃO DE ÁGUA

POTÁVEL PRODUZIDA

(m3/dia)

200 1,00 0,19

ACIONAMENTO DA

BOMBA DE ÁGUA

Motor CA Trifásico 200V –

60Hz (Inversor) Motor Diesel

Motor CC

120V - 1000W

UTILIZAÇÃO DE

BATERIAS Sim Não Sim

SALINIDADE DA ÁGUA

DA FONTE (ppm) 300 a 735 4500 a 5000 Acima de 1000

SALINIDADE DA ÁGUA

TRATADA (ppm) 80 a 300 Abaixo de 1000 333 a 885

Tabela 2: Instalações de Eletrodiálise acionadas por Painéis fotovoltaicos

5.CONCLUSÃO

Este trabalho apresentou uma análise da viabilidadetécnica de dessalinização de água salobra viainstalação de eletrodiálise acionada por painéisfotovoltaicos, tendo em vista os índices de radiação

solar o que contribui para a geração de energia paraeste sistema combinado.

Almeja-se com tal estudo contribuir para ouso de reservas de água existentes no subsolo doPolígono da Seca da região Nordeste do Brasil.

PALAVRAS CHAVES:

Energia solar, sistema fotovoltaico, eletrodiálise.

AGRADECIMENTOS

Os autores deste artigo agradecem ao corpo técnico

do Grupo de Processamento de Energia e Controle do

Departamento de Engenharia Elétrica da

Universidade Federal do Ceará pela coleta de dados

de radiação solar em Coité – Pedreiras no estado do

Ceará.

REFERÊNCIAS

[1] Carvalho, P.C.M.:

Água Potável via Energia Solar, Ciência hoje, n.158, 2000

[2] Ishimaru:

Solar photovoltaic desalination of brackish remoteareas by electrodialysis; Desalination, 98, 1994

[3] Carvalho, P.C.M., Montenegro, F. F. DExperiências adquiridas na Implementação daprimeira Instalação de Osmose reversa acionadapor painéis fotovoltaicos do Brasil, AGRENER,2000[4] Wangnik, K.:

1990 worldwide desalting plants inventory - Thedevelopment of the desalination market; 12thinternational symposium on desalination and waterreuse (Proceedings), Malta, 1991

[5] Photovotaic Electrodialysis Reversal(PV/EDR), The Water Treatment Technology(WTTP) Program Newsletter - No. 3 - Winter 1995

[6] Carvalho, O.:

A economia política do Nordeste: seca, irrigação edesenvolvimento; 1988

[7] Adiga, Adhikary, Narayanan, Harkare,

Gomkale, Govindan:

Performance analysis of photovoltaicelectrodialysis desalination plant at Tanote inThar desert; Desalination, 67, 1987

[8] SBPC: Ciência Hoje; Volume 19, número 110,1995