An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002

 

Microcentral hidrelétrica Boa Esperança - Um Estudo de implantação para a geração descentralizada no Brasil-

 

 

Harley Souza Alencar; Augusto Nelson Carvalho Viana

Universidade Federal de Engenharia de Itajubá - UNIFEI, Av. Benedito Pereira dos Santos, 1303 Bairro: Pinheirinho, CEP 37500-903 - Itajubá - Minas Gerais. E-mails: augusto@iem.efei.br, souzaalencar@aol.com

 

 

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RESUMO

Reconhecido por seu grande potencial hidráulico, o Brasil vem desenvolvendo um amplo processo de estudo de viabilidade e implantação de pequenos aproveitamentos hidrelétricos, englobando potências entre 1 e 12000 MW.
Contudo, existem regiões não atendidas pelo sistema interligado de transmissão de eletricidade, abrigando pequenas comunidades que dependem de centrais a diesel para obter luz, uma fonte energética que polue o meio ambiente.
Como alternativa energética, as microcentrais têm demonstrado ser um modelo a ser implantado, contribuindo para a eletrificação rural com potências até 100 kW, em comparação com outras fontes energéticas, por exemplo, eólica, solar e biomassa.
Neste trabalho, desenvolve-se um estudo de viabilidade técnica e econômica para a implantação da microcentral hidrelétrica Boa Esperança, localizada no município de Delfim Moreira, no sul do Estado de Minas Gerais. Realiza-se, também, uma análise comparativa da mesma em relação à instalação de rede elétrica ou em relação às outras fontes alternativas de energia.

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ABSTRACT

Recognized for its great hydraulical potential, Brazil comes developing an ample process of feasibility study and implantation of small hidroelectric exploitations, using powers between 1 and 12000 mW. However, there are regions that don´t have the linked system of electricity transmission, formed by small communities that depend on central offices diesel to get light, an energy source that prejudice the environment. As alternative energy, the small power plant they have demonstrated to be a model to be implanted, contributing for the agricultural electrification with powers up to 100 kW, in comparison with other energy sources, for example, eolic, solar and biomass. In this work, is is developed an economic and technique feasibility study and for the implantation of the small power plant, located in the city of Delfim Moreira, in the south of the State of Minas Gerais. It is realized, too, a comparative analysis of the same one in relation to the installation of electric net or in relation to the other alternative sources of energy.

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INTRODUÇÃO

O investimento na implantação de microcentrais hidrelétricas representa uma alternativa atraente em comparação às outras fontes de geração de eletricidade no Brasil.

Existem três razões básicas que confirmam isto: (a) custo de implantação relativamente baixo; (b) fonte de energia menos poluidora; e (c) facilidade para a geração descentralizada, tornando seus proprietários independentes da rede elétrica e das suas tarifas de uso.

Além disso, a determinação do melhor arranjo quanto ao seu espaço físico, bem como, o custo - beneficio representam importantes parâmetros de comparação.

Desta forma, este trabalho objetiva realizar um estudo modelo para a viabilidade técnica e econômica de uma microcentral hidrelétrica localizada no rio São Francisco dos Campos do Jordão, no município de Delfim Moreira, Distrito do Onça, Estado de Minas Gerais. Este estudo foi elaborado em consonância com o Manual de Microcentrais Hidrelétricas da ELETROBRÁS.

Importância do projeto

Este projeto tem como finalidade a geração de energia elétrica para atender ao consumo de uma propriedade rural constituída pela sede da fazenda, por chalés destinados ao ecoturismo e um restaurante, caracterizando-a como autoprodutora de energia elétrica, em conformidade com o Decreto 2.003 de 10 de setembro de 1996.

A finalidade da MCH Boa Esperança é a geração de 78 kW de energia elétrica.

Descrição do local do aproveitamento

A região de estudos está localizada no município de Delfim Moreira, Distrito do Onça, Estado de Minas Gerais, podendo ser localizada através da carta IBGE número SF-23-Y-B-VI-I, na escala 1:50.000, intitulada Delfim Moreira.

O córrego Boa Vista, afluente do rio de Bicas pela sua margem direita, está inserido na bacia do Rio Paraná e sub-bacia do Rio Grande (61).

O sítio da MCH Boa Esperança está localizado nas seguintes coordenadas geográficas: latitude 22º 34' 56,4" S e longitude 45º 14' 12" W, a uma altitude de 1.400 m. O aproveitamento se localiza na Fazenda Boa Esperança, a uma distância de 6 km da rodovia MG 62, próximo à Wesceslau Brás, por estrada de terra.

Neste trecho, existe a composição de seguidas cascatas naturais, margeadas por ombreiras de média declividade e afloramentos rochosos, propícios à implantação de barragem, onde se localiza o aproveitamento Boa Esperança, em uma queda com um desnível de 22,1 m em 100 m de extensão.

Em virtude desta topografia, tornaram-se simplificados os estudos de seleção de eixo, sendo que o arranjo adotado para a MCH Boa Esperança é do tipo central a fio d'água.

De acordo com as características de agregação do solo, não há indícios de erosão acentuada das suas margens.

Caracterização do arranjo

O arranjo geral proposto do aproveitamento consiste em uma barragem do tipo alvenaria de tijolos, com 9 m de comprimento e 1.4 m de altura, dotada de um vertedouro do tipo crista livre, com 8 m de comprimento e lâmina d´água de 0,55 m.

A tomada d'água está localizada no corpo da barragem, na margem esquerda do rio, fundada em corte no terreno. A mesma possui 3.65 m de comprimento e 1,.18 m de altura e dotada de uma grade grossa, uma comporta de desarenação e uma comporta ensecadeira.

O sistema de adução possui 28.1 m de comprimento e 0.80 m de altura. Constitui-se em um canal aberto, executado em alvenaria de tijolos, com seção retangular, acompanhando o terreno com declividade quase constante, em toda sua extensão, até a câmara de carga executada em alvenaria.

A câmara de carga possui 1 m de altura, 1.2 m de largura e 2.26 m de comprimento e está localizada em um local de menor declividade e dá saída para dois condutos forçados.

Os condutos forçados são constituídos de um lance reto, com 48 m de comprimento e 0,422 m de diâmetro, beneficiando-se de um trecho de declividade constante, o que reduz os custos de cortes, aterros e ancoragens. O sistema de apoio é constituído por blocos em alvenaria de pedra e o de ancoragem constitui-se de blocos de concreto armado. No seu lance final, junto à casa de máquinas, os condutos forçados possuem mesmo diâmetro, um para cada turbina.

A casa de máquinas possui 5.2 m de comprimento, 3.2 m de largura, 2.1 m de altura e foi posicionada imediatamente após o segundo bloco de ancoragem, afastada do rio o suficiente para evitar o risco das cheias e, também, para diminuir os custos relativos à instalação de um conduto forçado mais longo. A mesma foi projetada para abrigar dois grupos geradores, assim como os serviços auxiliares, necessários ao perfeito e completo funcionamento dessas unidades. Os dois grupos geradores foram posicionados com seus eixos de acionamento alinhados ortogonalmente ao leito do rio, no sentido transversal da casa de máquinas.

O canal de fuga possui 23 m de comprimento

A figura 1 mostra o aranjo geral do empreendimento hidrelétrico.

 

ESTUDOS BÁSICOS

Critérios básicos

Consideraram-se as condições locais da futura central hidrelétrica e as recomendações do Manual de Microcentrais Hidrelétricas da ELETROBRÁS, para determinação dos critérios apresentados a seguir.

a ) Estudos energéticos

Adotaram-se os seguintes critérios energéticos para elaboração dos estudos básicos:

• sistema de referência: Consumo médio de energia na Fazenda Boa Esperança
• período crítico hidrológico: dezembro/1956 a maio/1968
• central hidrelétrica do tipo: a fio d'água
• número de grupos geradores: 2

Optou-se por dois grupos geradores com a finalidade de atender duas condições:

a) caso haja necessidade de interromper o funcionamento de uma delas para manutenção; e

b) caso não exista vazão suficiente para atender as duas máquinas em épocas de estiagem extremas.

b) Estudos hidrológicos

Considerando-se o porte da obra, foram adotados os seguintes critérios hidrológicos:

• Cheia de desvio do rio com período de recorrência de 10 anos, obtida para os 6 meses de estiagem;
• Vazão de projeto do vertedouro obtida calculando-se a cheia com período de recorrência de 100 anos.

Para o estudo hidrológico, utilizou-se um molinete eletrônico, no trecho do rio à jusante da cachoeira de maior queda e próximo da ponte localizada dentro da propriedade.

Para o presente projeto, a vazão de projeto adotada para o turbinamento da central é igual a 0,48 m³/s, que corresponde à 40% da vazão mínima do rio na época da estiagem, com período de permanência igual a 95 por cento, como recomendando pelo Manual de Microcentrais Hidrelétricas, ELETROBRÁS (1985).

A vazão de cheia para dimensionamento do vertedouro com período de recorrência igual a 100 anos, calculada pelo Método de Gumbel, é igual a 6,1 m³/s, enquanto para as obras de desvio, a vazão de cheia com período de recorrência igual a 10 anos é igual a 3,0 m³/s.

c) Estudos topográficos

A topografia da área do aproveitamento hidráulico da MCH Boa Esperança foi levantada através medição do desnível com um equipamento eletrônico conhecido como Estação Total.

O equipamento Estação Total concerne a um teodolito digital que reúne as características de um teodolito comum, somado à flexibilidade de sistemas de aquisição de dados computacionais.

Pelo método 1, utilizando um teodolito comum, a altura de queda bruta é igual a 21,20 m. Pelo método 2, utilizando a estação total, é igual a 22,10 m. Optou-se por considerar o resultado obtido pelo método nº 2, devido a sua maior precisão.

d) Estudos econômicos

No estudo de viabilidade da MCH Boa Esperança, consideraram-se os seguintes parâmetros:

• Investimento, em US$;

• Percentual financiado pelo BNDES e outros bancos: 80 % (pequeno produtor - classificação ELETROBRÄS);

• Potência instalada, em kW;

• Horas anuais de operação: 7.860 h;

• Custo total do empreendimento, em US$;

• Custo Índice, em US$ / kW instalado;

• Custo de energia gerada, em US$ / MWh;

• Tarifa média de venda de energia no meio rural, em US$/MWh;

• Tempo de Retorno do Investimento, em anos;

• Carga do consumidor, em kW; e

• Tempo máximo de pagamento do empreendimento, em anos.

A data base adotada para estes estudos é junho de 2002, sendo os principais índices econômicos:

• Salário mínimo mensal . US$ 70,00

• Taxa de juros de longo prazo - TJLP 10 [%]

De acordo com a ELETROBRÀS (2000), o tempo máximo de retorno de investimento em empreendimentos hidrelétricos é igual a 10 anos, calculado sobre o valor presente do investimento. Mantendo esta característica, o custo de venda da energia elétrica da MCH Boa Esperança deve ser menor do que a tarifa de venda de energia, cujo valor é igual a US$ 38,00/MWh, considerando-se uma TJLP (pequenos empreendimentos agrícolas-BNDES) de 10 % a.a, segundo as informações obtidas no BNDES em julho de 2002.

 

ESTUDOS ECONÔMICOS

Estimativa do custo total do empreendimento

Considerando todos os fatores levantados anteriormente, o custo do empreendimento pode depender da escolha adequada da turbina hidráulica a ser utilizada.

Basicamente, o custo total do empreendimento consiste na soma de todos os custos, considerando o percentual de participação dos componentes civis, hidromecânicos e elétricos no empreendimento da microcentral.

A tabela 1 mostra os custos estimados para a implantação da MCH Boa Esperança para três diferentes turbinas hidráulicas. Os custos são cotados considerando dois grupos geradores.

 

 

Na tabela 1, a turbina Michell-Banki consultada junto aos fabricantes possui potência de 68.3 kW e rendimento nominal de 75%. Por outro lado, as turbinas Francis e BFT possuem potencia e rendimento nominais respectivamente iguais a: 77,4 kW e 85%; 77,2 kW e 78 %.

Os percentuais de participação dos componentes civis, hidromecânicos e elétricos no empreendimento em relação ao custo total, utilizando os três tipos de turbina, podem ser calculados a partir da seguinte expressão:

Estes percentuais para os três tipos de turbina estão reunidos na tabela 2.

 

 

Onde CPF representa o custo com encargos administrativos.

Custo da energia gerada

Um outro parâmetro, além do custo índice, que permite avaliar a viabilidade de implantação da microcentral é o custo unitário da energia gerada. Para tanto, são feitas algumas considerações:

a) Supõe-se que o proprietário consiga financiamento da ordem de 80 % do custo total para implantação do empreendimento;

b) Admite-se que o pagamento seja feito em parcelas iguais em um período de 25 anos;

c) A taxa de juros anual seja da ordem de 10 % a.a., referenciado ao mês de junho de 2002;

d ) Admite-se que a microcentral opere com fator de capacidade igual a 0,75;

e) A tarifa média de energia rural no Brasil é igual a 38,00 US$ / MWh, de acordo com dados fornecidos pela ANEEL em janeiro de 2000.

O cálculo do valor futuro (S) é realizado pela seguinte equação:

Considerando-se um financiamento realizado durante n períodos, à taxa unitária de juros i por período; o valor inicial do financiamento p e as prestações referentes ao final de cada um dos períodos, são R₁, R₂, ... , R_n, como cita PEDRO (1983).

Para o financiador, o valor das prestações no vencimento do contrato do financiamento - montante das reaplicações das prestações até a época do último pagamento - é:

Onde S é o valor futuro do fluxo de pagamentos.

Além disso, pode-se admitir um financiamento simples com prazo igual a n períodos, à taxa unitária de juros i, tendo valor inicial P e tendo n prestações iguais a R, cada uma delas referentes ao final de um período respectivo, a equação acima se transforma em uma progressão geométrica, na qual o valor futuro S é calculado por:

Para estimar o custo unitário da energia gerada, foram consideradas as seguintes condições:

• Um operador ganhando salário mínimo; e

• O custo de operação e manutenção foi atribuído como 5 % do custo de investimento.

O custo anual total para a geração de energia é a soma do custo com operação e manutenção anual com a prestação do financiamento anual, HARVEY (1993).

Para o caso do empreendimento com turbinas Francis, o custo anual total é US$ 7.005,91

O custo unitário da energia é a razão do custo anual total de geração com relação à energia gerada no ano, HARVEY (1993).

Na tabela 3, apresenta-se estes parâmetros calculados paras as três turbinas.

 

 

Da tabela 3, observa-se que o menor custo unitário da energia corresponde à BFT, sendo satisfatório, pois é menor do que a tarifa média de energia rural no Brasil, cujo valor é igual a 38,00 US$/MWh, segundo dados fornecidos pela ANEEL em setembro de 2001.

Com a finalidade de determinar a rentabilidade do projeto, pode-se avaliar o tempo de retorno de investimento, utilizando o Método de "PayBack" Descontado, proposto por LAPPONI (1998). Este método apresenta o tempo de retorno do investimento em função da Taxa Mínima de Atratividade - TMA e a vida útil das instalações.

Para determinar o tempo de retorno utilizando este método, é necessário calcular primeiramente os riscos e as incertezas nos investimentos de modo probabilístico, utilizando o Método de Monte Carlo.

Desta forma,a tabela 4 mostra o tempo de retorno de investimento para cada tipo de turbina.

 

 

Nestas condições, válidas para junho de 2002, a melhor alternativa para o empreendimento é utilizar as BFTs, porque apresenta o menor tempo de retorno de investimento.

Análise Econômica

Considerando as taxas de juros atuais, o valor do câmbio do dólar e as taxas que o investidor pode ser financiado junto ao BNDES, o projeto deste empreendimento hidrelétrico mostra-se mais promissora devido à:

• Menor o tempo de retorno do investimento;

• Menor o custo total se comparado ao custo da instalação de linha de transmissão;

• Capacidade de geração de energia, sem comprometer o meio ambiente;

• Disponibilidade de material da região para a construção dos elementos constituintes.

Em comparação com outras fontes de suprimento de energia, tem-se:

• Microcentral Termelétrica: não seria viável devido a não disponibilidade e, conseqüentemente, ao elevado custo do óleo diesel, do gás natural e da biomassa, cujo valor varia em torno de 500 a 2500 US$/kW em junho de 2002;

• Microcentral Eólica: somente seria viável se os dados obtidos de um anemômetro que fosse instalado no local, fossem favoráveis ao aproveitamento do vento. Entretanto, essa opção não foi analisada, pois não havia disponibilidade de um anemômetro no local. Alem disso, o custo para sua implantação varia em torno de 700 a 1200 US$/kW em junho de 2002;

• Microcentral à Energia Solar: não seria viável devido à baixa taxa de insolação no local e ao alto custo do equipamento, cujo valor varia em torno de 4000 a 9000 US$/kW em junho de 2002;

• Linha de Transmissão: não seria viável devido ao alto custo de instalação oferecido pela concessionária local, da ordem de US$ 4.810,00 / km da linha, somado ao custo da energia comprada. A fazenda encontra-se distante cerca de 6 km da ponta de linha em Delfim Moreira.

 

CONCLUSÃO

Verifica-se que, a um custo de implantação da MCH da ordem de US$ 23.233,00, com custo índice de 301,00 US$/kW para a geração de 78 kW de potência elétrica, cujo tempo de retorno é igual a 3,4 anos, a opção por BFTs representa uma alternativa viável devido à disponibilidade de material local, com custo de implantação inferior às outras fontes alternativas de energia, além de representar uma alternativa que utiliza uma energia limpa, ou seja, que não polui o meio ambiente.

Outra potencial vantagem se reflete quando comparada ao custo para implantação da linha da CEMIG da ordem de US$ 28.860,00, cujo custo unitário é da ordem de US$ 4.810,00/km para linhas de alumínio, utilizando postes de madeira.

 

REFERÊNCIAS

[1] ELETROBRÁS, Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas, Ministério das Minas e Energia, Brasília, DF, 2000.

[2] ELETROBRÁS - DNAEE, Manual de Microcentrais Hidrelétricas, Ministério das Minas e Energia, Brasília, DF, 1985.

[3] FERNÁNDEZ - JÁUREGUI, C.A. et all, Taller de Microcentrales Hidroelectricas, Oficina Regional de Ciencia y Tecnologia de la UNESCO para América Latina y el Caribe - ORCYT, Montevideo, Uruguai, 1990.

[4] HARVEY, A., Micro Hydro Design Manual - A guide to small - scale water power schemes, Intermediate Technology Publications, London, UK, 1993.

[5] LAPPONI, J., Avaliação de Projeto de Investimento, Editora Modelo, Barcelona, Espanha, 1998.

[6] PEDRO, J. da Fonseca, Matemática Financeira, Guanabara Dois, Rio de Janeiro, RJ, 1983.

[7] SOUZA, Z., Centrais Hidrelétricas - Dimensionamento de Componentes, Editora Edgard Blücher Ltda., Rio de Janeiro, RJ, 1992.

[8] TCPO9, Tabelas de Composições de Preços para Orçamentos, Editora PINI, São Paulo, SP, 2002.