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How to cite this paperAn. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003
Gastos com energia hidráulica útil – uma alternativa para avaliação dos benefícios técnicos/econômicos para racionalização do uso da energia elétrica na irrigação via adequação de força motriz
Campana S.I; Oliveira Filho D.II; Soares A.A.II; Oliveira, R. A.II
Departamento de Engenharia Agrícola (DEA), Universidade Federal de Viçosa (UFV), Cep. 36.571-000, Viçosa, MG
IM.S. em Energia na Agricultura
IIProfessor do Departamento de Engenharia Agrícola, Universidade Federal de Viçosa
RESUMO
Neste trabalho avaliou-se o comportamento do parâmetro gasto específico com energia hidráulica útil (GEEH), para determinação dos benefícios técnico/econômico de programas de racionalização do uso da energia elétrica via adequação de força motriz em sistemas de irrigação. Estudou-se cinco motores elétricos, tipo "standard" utilizados em sistemas de bombeamento para atividade irrigação com diferentes alturas manométricas e vazões de projeto. Para o estudo de viabilidade econômica foi utilizado além do parâmetro GEEH em termos de valor presente líquido a taxa interna de retorno (TIR) e o período de retorno do capital (PRC). O estudo foi feito para a substituição dos motores elétricos em uso nas fazendas por outros de alto rendimento de mesma potência e ou adequados a condição de carga.
Palavras-chave: motores, avaliação, energia.
ABSTRACT
This paper deals with the behavior of the specific parameter named specific useful hydraulic energy (GEEH), for the technical and economical evaluation of electrical energy use of rationalization motive force in irrigation systems. It was studied five electric motors, standard " type " used in the pumping system for irrigation. For the economic viability study the GEEH present value parameter was considered for the expenses with electric energy along the planning horizon, as well as, the system head and project water flow. The technical viability of the use of the GEEH present value index was verified along with the traditional parameters of economic analysis named the internal return rate and capital return period. The study was made for the substitution of the electric motors in use in the farms for high efficient ones with of same rate as well as the usage of standard motors correctly rated for its load.
Keywords: motors, evaluation and energy.
INTRODUÇÃO
A energia elétrica é um dos suportes básicos para a economia e o desenvolvimento de qualquer país. Ressalta-se a necessidade de se implementar programas de conservação, geração ou uso racional de energia elétrica, visando a sua economia, visto que, o consumo de eletricidade vem apresentando taxas de crescimentos significativo.
O planejamento integrado dos recursos indica que do ponto de vista da sociedade, racionalizar a energia elétrica, é alternativa que deve ser sempre considerada. Razões para tal se não faltam, entre elas citam-se que esta alternativa degrada menos o ambiente e, portanto deve sempre ser analisada com a devida prioridade. Para os consumidores finais da energia elétrica programas de racionalização serão tanto mais adotados quanto mais benefícios trouxerem. Para as concessionárias, racionalizar o uso da energia elétrica em nível da demanda implica em garantir maior disponibilidade de recursos para expansão de seus mercados, tornar mais atraente o seu produto em relação a outros energéticos e contribuir para o adiamento tanto da construção de novas unidades geradoras, quanto de outros investimentos na transmissão. Como o sistema elétrico nacional é preponderantemente hidrelétrico, decisões de investimentos devem ser tomadas com grande antecedência. O tempo necessário para maturação de projetos de aproveitamento de recursos hidroelétricos é bem superior (aproximadamente 10 anos) em relação aos de programas de racionalização de energia elétrica de um a três anos, PINHEIRO (1989) e RABL (1991).
Segundo PINHEIRO (1989), programas que visam a conservação da energia por meio do gerenciamento do lado da demanda (GLD), podem ser mais econômicos tanto para a sociedade como um todo, para os consumidores individuais, bem como para as concessionárias, diminuindo consideravelmente o custo do kWh e investimentos na construção de novas usinas hidroelétricas. O custo médio dos programas de conservação de energia pesquisados variaram de um até 49 dólares por MWh. A adequação de força motriz foi a alternativa de GLD pesquisada de menor custo, ou seja, um dólar por MWh. Já os custos da expansão do sistema elétrico brasileiro foram avaliados entre 47 a 56 dólares por MWh (ANDRADE, 1989).
ANDRADE (1989), considerou que o principal uso final da eletricidade no setor industrial é para o acionamento de força motriz. LOW (1993), confirma esta informação, considerando em um estudo de previsão do comportamento de cargas elétricas na província canadense de Ontário, onde estimou que cerca de 75% da carga industrial é utilizada para suprir demanda de força motriz.
Motores elétricos são equipamentos que fornecem a quantidade de energia mecânica demandada pela carga (FITIZGERALD, 1977; DORF, 1993). Isto significa que o rendimento do motor poderá ser insatisfatório (isto ocorre quando a carga demandada é muito inferior a potência nominal); neste caso, o uso de força motriz poderá ser racionalizado por meio do dimensionamento adequado dos motores elétricos e do uso de motores eficientes.
Dentre os tipos de motores elétricos existentes, destacam-se os motores trifásicos de indução assíncronos de corrente alternada, tipo gaiola de esquilo. Sua simplicidade, robustez, maior eficiência e menor custo fazem com que sejam os mais utilizados em todos os setores da economia.
Dentre as atividades rurais que demandam o uso intensivo de eletricidade destaca-se a irrigação por aspersão, caracterizada pela aplicação d'água sobre a superfície do terreno na forma de gotas, como uma chuva artificial. Neste tipo de sistema a energia elétrica é utilizada principalmente no bombeamento d'água. Em Minas Gerais, para cada hectare irrigado por aspersão convencional ou pivô central, são necessários, em média, 2,93 cv e 2,35 cv, respectivamente (CEMIG, 1993); portanto, neste setor verifica-se um grande potencial de economia tanto de demanda, quanto de consumo de energia elétrica.
O dimensionamento de sistemas de bombeamento utilizados para atividade de irrigação é baseado na altura manométrica de projeto e na vazão total. A vazão total é função de fatores como: (i) necessidade hídrica da cultura; (ii) clima da região; (iii) tipo de solo; e (iv) tipo de sistema de irrigação. Já a altura manométrica é o somatório de todas as perdas de carga a serem vencidas pelo conjunto motobomba, de forma que o sistema de irrigação possa suprir energia de pressão necessária à operação dos emissores, e vencer a altura geométrica da instalação (MASIEIRO et al. 1999).
Sabendo destes fatores o presente trabalho teve como objetivo avaliar o comportamento do parâmetro gasto específico com energia hidráulica útil GEEH, para determinação dos benefícios técnico/econômico de programas de racionalização do uso da energia elétrica via adequação de força motriz.
MATERIAL E MÉTODOS
Para obtenção dos valores comparativos utilizou-se os índices técnico/econômicos obtidos a partir da substituição de cinco motores "standard" utilizados para bombeamento d'água em sistemas de irrigação por outros de alto rendimento de mesma potência. Para determinação da viabilidade da utilização deste índice como parâmetro decisão em projetos de racionalização do uso da energia elétrica utilizou-se a taxa interna de retorno e período de retorno do capital.
Os valores das corrente elétrica utilizados para análise foram obtidos quando do funcionamento dos motores (CEMIG, 1996 a,b). As demais especificações foram adquiridas por meio de leitura direta em sua placa de identificação. Em seguida utilizou-se de catálogos eletrônicos de fabricante de motores para obtenção das curvas características, tais como: corrente, rendimento, escorregamento e fator de potência para avaliação dos pontos de estado dos motores medidos em nível de campo, (CAMPANA et al., 1999; WEG, 1999; EBERLE, 1999; KOHLBACH, 1999).
Com as correntes médias verificadas quando da operação dos motores na atividade de irrigação (Quadro 1), e utilizando as respectivas curvas de desempenho (catálogo do fabricante) obteve-se os valores de potência mecânica fornecida em relação a nominal (percentagem de carga).
De posse das correntes médias utilizou-se às curvas de desempenho dos motores (catálogo do fabricante) para a determinação do índice de carregamento e rendimento em condição de carga.
Para a determinação dos parâmetros: gasto específico com energia elétrica útil, período de retorno e taxa interna de retorno calculou-se, primeiramente, os gastos anuais com consumo e demanda de energia elétrica, utilizando as equações 1 e 2, respectivamente
em que
Gcon = Gasto anual com consumo de energia elétrica, R$/ano;
IC = Índice de carregamento do motorelétrico, decimal;
P = Potência do motor elétrico, cv;
h = Rendimento do motor elétrico, decimal;
Tcon = Preço da tarifa relativa ao consumo deenergia elétrica, R$/kwh;
Gdem = Gasto anual com demanda de energiaelétrica, R$/ano;
Tdem = Preço da tarifa relativa a demanda deenergia elétrica, R$/kw; e
n = Número de horas de funcionamentoanual do sistema de irrigação, horas ao ano.
Em seguida, para o cálculo dos parâmetros econômicos em análise considerou-se: um aumento anual da energia acima da inflação, horizonte de planejamento, manutenção anual, taxa de desconto e valor de sucata e ICMS, conforme Quadro 2.
Como critérios de tomada de decisão técnico/econômica para substituição dos motores "standard" em uso nas fazendas por outros de alto rendimento de mesma potência, levou-se em conta, para todas as análises, o tempo de retorno do capital, valor presente do investimento e a taxa interna de retorno, para as alternativas analisadas. As alternativas de substituição dos motores "standard" em uso nas fazendas por outros de alto rendimento, foram avaliadas por meio do gasto específico com energia hidráulica útil. Esse índice expressa a razão entre o valor presente dos gastos com energia elétrica e a energia hidráulica consumida pelo motor no horizonte de planejamento considerado, equações 4 e 5.
em que
GEEH = Gasto específico anual com energia hidráulica útil, R$/MJ;
VPL = Valor presente líquido do investimento, levando-se em conta o investimento inicial, gastos com demanda e consumo de energia elétrica, e horizonte de planejamento, R$;
Ehútil = Energia hidráulica útil; MJ;
Q = Vazão do sistema de irrigaçãoem estudo, m³/s;
H = Altura manométrica da instalação, m;
T = Horizonte de planejamento, anos; e
n = Número de horas de funcionamento anual, horas.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O Quadro 3 apresenta o comportamento do parâmetro gasto específico com energia hidráulica útil quando comparado com os parâmetros TIR e PRC. Este ainda apresenta as variações de rendimento e índice de carregamento devido a substituição dos motores "standard", por outros de alto rendimento de mesma potência instalada.
No Quadro 3 observa-se que, nas fazendas 1 e 5 é viável a adequação de força motriz pela substituição de motores "standard" por motores de alto rendimento de mesma potência. Um dos fatores que comprova esta afirmativa é o comportamento do parâmetro gastos específicos com energia hidráulica útil. Observe que, nestes casos a substituição dos motores elétricos proporcionou uma redução neste índice da ordem de 2,2% e 1,6% respectivamente, indicando a economia nos gastos de energia na etapa de conversão energia elétrica para energia mecânica.
A respeito dos parâmetros TIR e PRC constatou-se que somente para as fazendas 1 e 5 foi viável a adequação de força motriz, apresentando valores da ordem de 68% e 52,3% para a TIR (valores superiores ao custo de oportunidade) e 1,5 e 2,3 anos para o PRC (valor inferior ao horizonte de planejamento considerado).
Da análise dos resultados obtidos verifica-se que o parâmetro GEEH apresenta comportamento satisfatório na avaliação de projetos de racionalização de energia elétrica em projetos de racionalização de energia via adequação de força motriz.
Nos demais casos apresentados no Quadro 3 (fazendas 2, 3 e 4), constatou-se a inviabilidade da substituição de motores. Observa-se que, nestes casos houve um aumento no GEEH em média de 1,2% , isto se provavelmente se deve ao baixo número de horas de funcionamento anual e o pequeno acréscimo no rendimento obtido com estas alternativas. Observe que para estes casos tanto o período de retorno do capital quanto à taxa interna de retorno apresentaram resultados negativos. .
No Quadro 4 são apresentados os gastos com energia elétrica fora de ponta (demanda e consumo) em percentagem do custo do motor "standard" (para um índice de carregamento de 75%), quando se varia o número de horas de funcionamento ao longo da vida útil do motor. Da análise do Quadro 4 percebe-se que:
• Os gastos com energia elétrica (consumo e demanda) representam em média de 5,2 até 56,8
• vezes o valor de aquisição do motor elétrico. Desta forma, pode-se verificar o grande potencial de economia via adequação de força motriz;
• Aumentando-se o número de horas de funcionamento de um dado motor verifica-se também aumenta de forma praticamente linear a razão entre os gastos com energia elétrica e o custo inicial do motor.
CONCLUSÃO
os casos em estudo, a utilização do parâmetro gasto específico com energia hidráulica útil, como critério de tomada de decisão para adequação de força motriz em sistemas de irrigação apresenta-se como uma excelente alternativa. Desta forma é possível quantificar a energia despendida pelo conjunto motobomba ao fornecer à cultura a lâmina d'água necessária ao seu desenvolvimento. O planejamento da racionalização do uso da energia elétrica a partir da solicitação de serviço (energia útil), e não a partir do consumo e demanda de energia elétrica em si permite um detalhamento do uso da energia em cada etapa de conversão. Esta abordagem então, sistematiza o planejamento da utilização dos recursos energéticos, permitindo a comparação entre as alternativas possíveis.
Quando comparado com os demais índices econômicos em estudo tais como a taxa interna de retorno, TIR e período de retorno do capital, PRC, o parâmetro gasto específico com energia hidráulica útil apresenta resultados coerentes no que diz respeito da tomada de decisão em projetos de racionalização do uso da energia elétrica via adequação de força motriz em sistemas de bombeamento.
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Endereço para correspondência
Oliveira Filho D.
delly@mail.ufv.br
