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An. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003

 

Inversores de freqüência – uma alternativa para racionalização do uso da energia elétrica em sistemas de irrigação pivô central

 

 

Campana S.I; Oliveira Filho D.II; Soares A.A.II; Oliveira R. A.II; Hermsdorff W.III

Depto. de Engenharia Agrícola (DEA), Universidade Federal de Viçosa (UFV), Cep. 36.571-000, Viçosa, MG
IM.S. em Energia na Agricultura
IIProfessor do DEA-UFV, tel(031) 899 2729 fax.:(031) 899 2735
IIIDoutorando em Energia na Agricultura UFV

Endereço para correspondência

 

 


RESUMO

O sistema de irrigação tipo pivô central se encontra entre os mais difundidos no país. O gasto com energia elétrica é um dos fatores mais significantes na composição dos custos variáveis. Neste trabalho avaliou-se a viabilidade técnica e econômica da utilização de inversores de freqüência para racionalização do uso da energia elétrica em um sistema de irrigação tipo pivô central de média pressão. Para tal, considerou-se: os diferentes requisitos de índices de carregamento, rendimentos, bem como as variações de energia reativa no motor elétrico ao longo do círculo irrigado. Na análise econômica considerou-se os seguintes índices econômicos: taxa interna de retorno (TIR), período de retorno do capital e relação benefício. Também foi avaliada a possibilidade de liberação de carga do transformador quando da utilização deste equipamento.

Palavras-chave: energia, irrigação e motores.


ABSTRACT

The central pivot irrigation system is among the most common systems used in Brazil. The expense with electric energy is one of the most significant factors in the composition of the variable costs. In this work the economical viability of the use of frequency inverters was evaluated for rationalisation of the use of the electric energy in a central pivot irrigation system average pressure type. For such, it was considered: the different requirements of load indexes, system performance, as well as the variations on the reactive power demanded by the irrigated perimeter. In the economical analysis it was considered the following economical indexes: internal return rate (IRR), period of capital return, benefit cost ratio and capital period return. The load liberation possibility from the transformer was also evaluated when this equipment was considered to be used.

Keywords: energy, irrigation and motors.


 

 

INTRODUÇÃO

A GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO MUNDO

Quando se considera, a nível global, as diversas fontes de energia utilizada na geração de energia elétrica, verifica-se que (40%) é oriunda da queima de carvão mineral. Sendo a restante obtida pelas fontes de energia: hidráulica (19%), nuclear (17%), gás natural (13%) e combustíveis fósseis (11%). Em países como o Brasil, a alta disponibilidade hídrica, associada as propícias condições topográficas favorecem a utilização de fontes hidráulicas. Em 1998, cerca de 95% da energia elétrica gerada foi advinda destas fontes (BRASIL, 1999).

O CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA BRASILEIRO

Quando se considera o consumo de energia elétrica nacional verifica-se que as regiões sudeste e nordeste foram responsáveis pela maior parcela, cerca de 59,1% e 15,8%, respectivamente. Já as regiões sul, centro oeste e norte consomem cerca de 15,1%, 4,8%, 5,1%, respectivamente (BRASIL, 1999). Na região sudeste, o setor com maior participação no consumo foi o industrial, representando cerca de 66,8% do total.

A nível nacional, os setores industriais, residenciais, comerciais, públicos e agropecuários respondem por cerca de 44,0%, 27,0%, 14,0%, 8,9 e 3,8% do consumo total de energia elétrica, respectivamente, sendo que os outros setores são responsáveis pelos restantes 2,3%. No que diz respeito ao setor industrial, em Minas Gerais, entre 1985 e 1998 observou-se um acréscimo de 27,5% na participação deste setor na demanda global de energia consumida, sendo o acionamento de força motriz responsável por cerca de 49% deste total (BRASIL, 1999).

RACIONALIZAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO

Segundo dados do IBGE e da Associação Brasileira de Agribusiness, do produto interno bruto brasileiro em 1998, cerca de 35% são decorrentes de atividades relacionadas com o Agribusiness. Em Minas Gerais existem 269.384 consumidores rurais de energia, deste total 0,3% são irrigantes, sendo responsáveis por 17,3% de toda energia elétrica gasta diretamente na agricultura, sendo que, entre 1994 e 1998 observou-se um incremento médio anual na demanda de energia para irrigação da ordem de 29,2% (CEMIG, 1999).

No Brasil, entre 1995 e 1996 do total de investimentos em transmissão de energia elétrica, o meio rural foi beneficiado com os seguintes percentuais: (i) região sudeste (7%); (ii) região centro oeste (4%); (iii) região nordeste (0%); região sul (5%); e região norte (1%) (ELETROBRÁS, 1999). Tendo em vista a atual situação social, política e econômica do país e a crescente demanda por energia, entende-se que a implementação de programas que visem o uso racional da energia elétrica são cada vez mais necessários, haja visto que programas de eletrificação rural, dentre outros, aumentam a qualidade de vida do homem do campo, minimizando os efeitos decorrentes de sua migração para os grandes centros urbanos.

Racionalizar o uso da energia elétrica no meio rural é de interesse, tanto do ponto de vista das concessionárias quanto do agricultor, haja vista que a implantação de sistemas de eletrificação rural podem ser até 400% mais cara que a de sistemas urbanos similares. Ressalta-se aqui que fatores como a baixa densidade de consumo por quilômetro de rede de eletrificação (0,1 a 5 consumidores por km) e as grandes distâncias entre consumidores de uso final, são os principais responsáveis por este acréscimo nos custos (JUCÁ, 1998). Nas lavouras irrigadas, o consumo de energia elétrica pode representar uma parcela dos custos de produção de até 25%, aproximadamente (BERNARDO, 1995). Alguns sistemas de irrigação, como o pivô central, requerem grandes investimentos iniciais. Por isso a redução dos custos operacionais torna-se fator preponderante na amortização mais rápida do capital investido.

CONTROLE DE VELOCIDADE DE BOMBAS CENTRÍFUGAS

As principais características técnicas das bombas centrífugas são a vazão e a altura manométrica. A vazão, fluxo por unidade de tempo é diretamente proporcional a sua velocidade de rotação. Em geral, sistemas de bombeamento operam com bombas acopladas diretamente ao eixo do motor. Quando se considera o acionamento de bombas centrífugas por meio de motores trifásicos de corrente alternada, características técnicas limitam sua velocidade de rotação aos seguintes valores: (i) 3600 rpm (motor de 2 pólos); (ii) 1750 (motor de 4 pólos); (iii) 1140 (motor de 6 pólos); e (iv) 820 (motor de 8 pólos). Como alternativa para o controle da vazão, além do controle de velocidade dos motores elétricos citam-se a utilização de válvulas de estrangulamento, by-pass, recirculação de fluxo ou sistemas de polias e correias. Entretanto, nenhumas destas alternativas são eficazes do ponto de vista de racionalização do uso de energia (PROCEL, 1998).

Atualmente está em estudo a utilização de inversores de freqüência para a racionalização do uso da energia elétrica em sistemas de bombeamento. RIZZO (1991), estudou a viabilidade técnico-econômica da utilização deste aparelho quando comparado com válvulas de estrangulamento e fluido recirculado para controle de vazão. Resultados obtidos mostram que, em média, a utilização de inversores de freqüência resulta numa economia de energia três vezes superior aos demais métodos. Além do mais a utilização de inversores de freqüência contribui, dentre outros, nos seguintes aspectos: (i) redução de desgaste mecânico e da manutenção associada; (ii) redução da demanda de energia; (iii) economia de energia; e (iv) melhoria do fator de potência.

UTILIZAÇÃO DE INVERSORES DE FREQÜÊNCIA EM SISTEMAS DE IRRIGAÇÃO

Em sistemas de irrigação tipo pivô central, quando se desconsidera a atuação das válvulas reguladoras de pressão, as diferentes condições topográficas ao longo do círculo irrigado, conduzem a diferentes requisitos de altura manométrica. Desta forma, quando o pivô estiver irrigando a faixa correspondente ao menor requisito de altura manométrica, a solicitação de potência no eixo do motor elétrico será mínima; a solicitação de potência será máxima quando o pivô estiver irrigando a faixa correspondente a maior altura manométrica, (CAMPANA, 2000).

Com o intuito de verificar a viabilidade técnica da utilização de inversores de freqüência para racionalização do uso da energia elétrica, (CAMPANA 2000), simulou, dentre outros, o comportamento do índice de carregamento e rendimento dos motores elétricos utilizados em três tipos de sistemas de irrigação tipo pivô central (média, baixa e muito baixa pressão). Observou-se que, nos pivôs de média, baixa e muito baixa pressão quando não se utiliza o inversor de freqüência ocorrem variações no índice de carregamento, ao longo do círculo irrigado, da ordem de 58%, 46% e 31%, respectivamente. Por outro lado, quando se utiliza o inversor, o índice de carregamento apresenta valores nominais (próximos a 100%). No que diz respeito ao rendimento, nos pivôs analisados, quando se utiliza o inversor ocorrem acréscimos de rendimento de até 3,71%, 5,97% e 2,19%, respectivamente. Com base nesses resultados, pode-se dizer que a utilização de inversores de freqüência se apresenta como uma forte alternativa técnica para a racionalização de energia em sistemas de irrigação via adequação de força motriz.

O objetivo deste trabalho foi avaliar a viabilidade técnica e econômica da utilização de inversores de freqüência para o controle de velocidade de motores elétricos utilizados no conjunto motobomba de sistemas de irrigação tipo pivô central. A fim de se racionalizar o uso da energia elétrica via adequação de força motriz, considerou-se: os diferentes requisitos de índices de carregamento, rendimentos, bem como as variações de demanda de potência reativa no eixo do motor elétrico ao longo do círculo irrigado.

 

MATERIAL E MÉTODOS

O potencial de economia de energia elétrica foi simulado considerando ou não a utilização de inversores de freqüência. Para tal utilizou-se a planilha eletrônica EXCEL versão 97. Nas simulações considerou-se um sistema de irrigação pivô central de baixa pressão.

Dados técnicos do pivô central em estudo, bem como os índices econômicos utilizados para análise são apresentados no Quadro 1. Para todas as análises foram considerados os dados relativos a índices de carregamento, rendimentos e fator de potência de motores elétricos utilizados para o bombeamento d'água no sistema pivô central, quando se utiliza ou não inversores de freqüência. Cabe ressaltar que os dados foram obtidos considerando os requisitos mínimos de altura manométrica a serem vencidos pelo conjunto motobomba, para cada posição da linha lateral do sistema ao longo do círculo irrigado (Figuras 1, 2 e 3). Para todas as análises a lâmina d'água aplicada a cultura permanece inalterável (CAMPANA, 2000).

 

 

 

 

 

Para avaliar a viabilidade econômica da utilização de inversores de freqüência em sistemas de irrigação tipo pivô central por meio do controle de velocidade de motores elétricos considerou-se os seguintes índices econômicos: Taxa Interna de Retorno (TIR), período de retorno do capital, relação benefício custo e período de retorno do capital. Por último, avaliou-se o potencial de economia na liberação de carga do transformador quando se utiliza o inversor. Em todas as análises considerou-se as variações destes índices em cada posição da linha lateral ao longo do círculo irrigado, função dos parâmetros apresentados nas Figuras 1, 2 e 3.

Na análise econômica para os três sistemas de irrigação em estudo foram feitas análises de sensibilidade. Estudaram-se os seguintes parâmetros:

• Número de horas de funcionamento anual de 3500 horas (caso base) e 4500 horas por ano;

• Aumento da tarifa de energia elétrica de 10% e 20%;

• Redução no preço do inversor de 10% e 20%.

Os preços da energia considerados na análise econômicos foram calculados tomando por base a tarifa de energia elétrica convencional, subgrupo A4, tensão de fornecimento entre 2,3 kV e 25 kV, ICMS de 30% e desconto de 10% a.a. (ANEEL 2000). Para realização da análise econômica considerou-se:

• Um horizonte de planejamento igual a vida útil dos equipamentos estimada em 15 anos;

• O valor temporal do investimento (taxa de desconto) de 10% a.a; e

• Aumento da energia acima da inflação de 2% a.a.

Na determinação do potencial de economia quando se utiliza o inversor de freqüência para racionalização da energia elétrica em sistemas de irrigação tipo pivô central considerou-se a área irrigada dividida em dois planos, acima ou abaixo da referência. Para todas as análises tomou-se como eixo de referência a reta transversal a declividade média pertencente ao plano do pivô sob o ponto pivô. Desta forma, do grau zero a 180 a linha lateral do sistema de irrigação se encontra acima da referência. Por outro lado, no restante do arco trigonométrico a linha lateral se encontra irrigando a área abaixo da referência (OLIVEIRA FILHO, 2000).

Em motores elétricos de indução, quando se varia a solicitações de carga no eixo do motor elétrico ocorrem variações de rendimento. Em toda faixa de carregamento, motores elétricos de menor potência apresentam rendimentos inferiores aos de elevada potência. Entretanto, para solicitações de carga muito baixas, motores de baixa potência apresentam maiores variações de rendimento que motores de potência elevada (para uma mesma faixa de carregamento). Para o melhor entendimento desta afirmativa; observe a Figura 4. Nota-se que, para um motor de 50 cv, quando se reduz o índice de carregamento de 80% para 20% ocorrem variações de rendimento da ordem de 15,2%. Por outro lado, para motores de 200 cv a mesma variação incorre numa redução de rendimento de 11,9%. Desta forma, em projetos de racionalização do uso da energia elétrica, via adequação força motriz, quando se mantém constante as demais variáveis em estudo, motores de menor potência se mostrariam mais atraentes economicamente.

 

 

RESULTADOS E DISCUSSÃO

As variações na taxa interna de retorno (TIR), quando se utiliza o inversor de freqüência, considerando: (i) um número de horas de funcionamento anual de 3500 horas (caso base) e 4500 horas; (ii) aumento no preço da energia (em relação ao caso base), da ordem de 10% e 20%; e (iii) redução no preço do inversor de 10% e 20% (em relação ao caso base), são apresentadas nas Figuras 5, 6 e 7, respectivamente.

 

 

 

 

Note que, para o pivô operando 3500 e 4500 horas por ano, ao longo do círculo irrigado, ocorrem taxas interna de retorno médias da ordem de 3,3% e 7,8%. Por outro lado, quando se considera um aumento no preço da energia elétrica de 10% e 20% a TIR média foi de 5,2% e 7%, respectivamente. Observe que, em relação ao caso base estes incrementos no preço na tarifa de energia proporcionam uma melhoria na TIR da ordem de 1% e 2,8%. Como os índices obtidos são inferiores a taxa desconto considerada para a análise (10%), o projeto torna-se inviável segundo este índice econômico.

Já a redução no preço do inversor de 10% e 20% proporciona taxas internas de retorno médias da ordem de 7,9% e 13,4%, respectivamente. Observe que, em relação ao caso base estes incrementos no preço na tarifa de energia proporcionam uma melhoria na TIR da ordem de 1,2% e 6,7%. Note que, a maior redução no preço do inversor torna o projeto viável segundo este índice econômico.

A atratividade econômica, em termos de período de retorno do capital, quando se utiliza o inversor de freqüência para racionalização da energia elétrica em sistemas de irrigação é apresentada no Quadro 3.

 

 

A análise do Quadro 3 permite afirmar que uma redução no preço do inversor de freqüência da ordem de 20% torna viável a utilização deste equipamento. Isto se deve ao período de retorno ser inferior ao horizonte de planejamento considerado para análise. Observe que, a redução no preço do inversor da ordem de 10% e 20% proporciona uma redução no período de retorno do capital, para o caso base da ordem de 1,5% e 5,1%.

Note que, para um aumento na tarifa de energia elétrica da ordem de 20% obteve-se um período de retorno do capital de 15,7 anos, valor muito próximo ao horizonte de planejamento considerado para análise, indicando da incerteza de se investir em tal equipamento nas condições consideradas.

A relação benefício/custo de se investir na implementação de inversores de freqüência para racionalização da energia elétrica em sistemas de irrigação é apresentada no Quadro 4.

 

 

Observa-se que, quanto maiores: o número de horas de funcionamento anual, o aumento da tarifa de energia elétrica e a redução no custo de aquisição do inversor de freqüência mais atrativa é a utilização do inversor. Entretanto, só é viável o investimento na racionalização do uso da energia elétrica utilizando-se inversores quando o custo de aquisição do mesmo reduz em 20%.

A utilização do inversor de freqüência propicia a liberação de carga do transformador. Ocorre em média, ao longo do círculo irrigado a possibilidade da liberação de 18,7 kVA.

O Quadro 5 mostra a razão entre as potências nominais dos motores elétricos, consecutivos, comercialmente disponíveis. Desta razão deduz-se o índice de carregamento mínimo possível. Observa-se que, para motores elétricos que nas faixas de potências 15cv a 20, 30 a 40 cv e 75cv a 100cv ocorrem os menores índices de carregamento nominais mínimos, tornando-os mais susceptíveis a racionalização de energia via adequação de força motriz.

 

 

A Figura 8 apresenta a razão entre o custo do inversor e a do motor elétrico, sendo ambos de mesma faixa de potência. Note que, para motores de menor potência, o custo do inversor é bem superior a do motor elétrico. Por exemplo, para um motor de 25 cv o custo do inversor é aproximadamente dez vezes maior que o preço do motor. Por outro lado, para potências superiores, as relações entre o custo do inversor e a do motor decaem. Para um motor de 250 cv o custo do inversor é 4,3 vezes superior a do motor.

 

 

A análise das Figuras 4 e 8 permite afirmar que: embora motores de baixa potência apresentem maiores variações de rendimento para baixos índices de carregamento, o custo do inversor (comparado com o do motor elétrico) é bem superior aos de motores de maior potência. Esta peculiaridade associada ao fato de que, o dimensionamento de alguns projetos requisitarem potências mecânicas de valor próximo a nominal, já outros não, mostra que, a viabilidade econômica de projetos de racionalização de energia via adequação de força motriz deve ser estudada para cada caso real em análise.

Deve-se considerar na análise da viabilidade econômica do uso de inversores de freqüência o fato de motores elétricos serem instalados com índice de carregamento menores do que aquele mostrado na Figura 1, por razões tais como: segurança, e precisão de desgaste de equipamentos, entre outros (OLIVEIRA FILHO et al., 2000). Este fato certamente contribuirá para aumentar a atratividade do investimento em sistemas com inversores de freqüência.

Deve-se considerar na análise da viabilidade econômica do uso de inversores de freqüência o fato de motores elétricos serem instalados com índice de carregamento menores do que aquele mostrado na Figura 1, por razões tais como: segurança, e precisão de desgaste de equipamentos, entre outros (OLIVEIRA FILHO et al., 2000). Este fato certamente contribuirá para aumentar a atratividade do investimento em sistemas com inversores de freqüência.

 

CONCLUSÃO

Com base nos resultados obtidos pode-se concluir que os parâmetros: (i) número de horas de funcionamento anual; (ii) preço da tarifa de energia elétrica; (iii) preço do inversor de freqüência é de grande influência na viabilidade econômica da utilização de inversores de freqüência em sistemas de irrigação tipo pivô central. Dentre esses, a redução do custo do inversor, precedida do aumento do número de horas de funcionamento anual foram os parâmetros mais representativos.

A utilização de inversores de freqüência propicia a liberação de carga no transformador. Desta forma, caso existam outras cargas instaladas no transformador, propõe-se o estudo do benefício econômico da alternativa de Gerenciamento do Lado da Demanda denominado remanejamento de cargas.

A viabilidade econômica do sistema de irrigação com o inversor é função das características hidráulicas e elétricas do pivô e do sistema de bombeamento, respectivamente. Portanto, é necessária a realização de análise econômica para cada caso em estudo.

Acredita-se que pode ser viável o uso de inversores em outros tipos de sistemas de irrigação por aspersão e localizada. Isto se deve aos diferentes requisitos de potência no eixo do motor elétrico, utilizado para o bombeamento d'água, ao longo da área irrigada.

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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[14] WEG.; Catálogo eletrônico de produtos.; Jaraguá do Sul; 1999 (http://www.weg.com.br).

 

 

Endereço para correspondência
Oliveira Filho D.
delly@mail.ufv.br

Campana S.
saulocampana@escelsa.com.br