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Como citar este trabalhoAn. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003
Estudo de motorização de um sistema de abastecimento de água
Carlos Barreira MartinezI; Jair Nascimento FilhoII
IDepartamento de Eng. Hidráulica e RH da EEUFMG, Av. do Contorno 842, 30110-060 Belo Horizonte, M. G., tel: (031) 499 4925 fax: (031) 499 4821
IIDepartamento de Eng. Mecânica da EEUFMG, Av. Antonio Carlos 6627 31270-901 Belo Horizonte, M. G., tel: (031) 4995220 fax: (031) 4433783
RESUMO
A produção de água bruta do Sistema Serra Azul (COPASA MG) é bastante significativa dentro do sistema metropolitano de Belo Horizonte. Por outro lado o consumo de energia elétrica do sistema de recalque de água representa uma parcela significativa dos custos operacionais, impactando consideravelmente no fluxo de despesas da companhia. O presente trabalho é baseado em um estudo de caso desta questão e tem por objetivo a análise de viabilidade da motorização da Barragem do Sistema Serra Azul, por meio da implantação de uma Pequena Central Hidrelétrica (PCH) que irá operar juntamente com o sistema de produção de água bruta.
Palavras-chave: Pequena Central Hidrelétrica, Planejamento Usinas Hidrelétricas.
SUMARY
The raw water production of Serra Azul system is very large, on the other hand, the electrical energy consume of the system represents a considerable amount over the installation operational cost. This work is based on study of COPASA MG; which goals to study the viability of enchanting the Serra Azul´s dam characteristics by means of using Small Hydro Power (SHP).
INTRODUÇÃO
O objetivo desse trabalho é verificar a viabilidade da operação do reservatório do sistema Serra Azul que permita o gerenciamento em termos de auto produção de energia elétrica. As características construtivas e condições de funcionamento do reservatório foram definidas dentro da premissa básica de que esse reservatório poderá ser operado de modo a permitir o gerenciamento energético da instalação. Dentro desse contexto, foram avaliadas as seguintes condições para a motorização da instalação:
O reservatório poderia ter sua capacidade de armazenamento ampliada a partir da instalação de um sistema de comportas no atual vertedouro, de forma a elevar o NA máximo normal em até 1,00 metro acima do atual nível. Esta alternativa possibilitaria ampliar a capacidade de regularização do reservatório. Em princípio, o impacto dessa elevação foi analisado apenas do ponto de vista da segurança da barragem, em termos do amortecimento de ondas de cheias. Em caso de prosseguimento dos estudos, deverão ser avaliados os impactos referentes ao aumento da faixa de inundação do reservatório e na linha de percolação pelo maciço da barragem.
REVISÃO DOS ESTUDOS HIDROLÓGICOS
O potencial de regularização do reservatório e a capacidade de descarga do vertedouro são variáveis importantes para os estudos de motorização. Para avaliar o potencial de regularização do reservatório, inicialmente foi determinada a série de afluências médias mensais ao aproveitamento, a partir dos registros da estação fluviométrica do ribeirão Serra Azul em Juatuba (dados hidrométricos da estações fluviométrica 40818000 - Ribeirão Serra Azul em Juatuba). A referida estação foi operada continuamente no período de 1942 a 1965, situando-se em uma seção fluvial logo a jusante do eixo de implantação da barragem.
Em estudos anteriores de regionalização de vazões na Bacia do Alto Paraopeba, elaborados para a CEMIG, os dados da estação de Serra Azul foram correlacionados com os registros de outras estações, permitindo a extensão da série para o período de 1935 a 1980 (dados hidrométricos da estação fluviométrica 40800001 - Rio Paraopeba em Ponte Nova do Paraopeba.
No presente estudo, foram feitas novas correlações, desta vez utilizando a estação fluviométrica do rio Paraopeba em Ponte Nova do Paraopeba para estender a série de vazões até 1995 (Estudos de regionalização de vazões para a bacia do Alto Paraopeba, realizados para a CEMIG em 1991, nos trabalhos de reinventário do potencial hidrelétrico). Por proporcionalidade entre áreas de drenagem, a série de vazões médias mensais determinada para essa estação foi transferida para o local do eixo da barragem, através da relação:
onde Qbarragem é a vazão afluente ao eixo da barragem, QJuatuba a vazão média mensal da série da estação fluviométrica, Abarragem = 262 km2 a área de drenagem no eixo da barragem e AJuatuba = 272 km2 a área de drenagem na seção da estação fluviométrica.
A vazão média de longo termo ( QMLT ) calculada foi de 3,92 m3/s, tendo a menor vazão ocorrido em setembro de 1955, com um valor médio de 0,850 m3/s. Os estudos de regularização foram feitos de forma paramétrica, empregando diferentes valores de vazões regularizadas, como percentuais da vazão QMLT. A operação do reservatório foi simulada no período de 1935 a 1995, supondo a acumulação plena no início dos tempos. A Tabela 1 apresenta os resultados das simulações, com os máximos volumes úteis de acumulação necessários para regularizar as vazões.
Pelos resultados da Tabela 1, o volume útil do reservatório de Serra Azul, da ordem de 75.000.000 m3, pode regularizar vazões de até 3,14 m3/s. Para esse limite superior de regularização, a operação do reservatório torna-se plurianual, com ciclos de deplecionamentos de vários anos. A Figura 1 apresenta a curva cota-área-volume do reservatório do Sistema Serra Azul.
Para as finalidades do presente trabalho, ainda em nível preliminar, foi fixado o fluxo residual em 0,330 m3/s, que já é mantido atualmente a jusante do sistema em questão. Assim, a vazão regularizada para fins de abastecimento da ponta do sistema deve ser subtraída desta vazão. Desta forma, optou-se por sugerir a implantação de uma pequena barragem a jusante do sistema Serra Azul. Esta barragem teria a função de regularizar o fluxo residual durante o período em que o reservatório estivesse acumulando água para posterior geração durante o período de ponta. Todos os resultados dos estudos de regularização, na presente etapa dos trabalhos, abrangeram o período de dados de 1935 a 1995 e consideraram a seqüência de vazões de estiagem mais crítica do histórico.
Para avaliar a hipótese de alteamento da soleira do vertedouro, foi calculada uma cheia de projeto resultante da PMP - Precipitação Máxima Provável, distribuída na bacia do ribeirão Serra Azul. Para uma altura de chuva média equivalente sobre a bacia de 259 mm, com a duração de 24 horas, foi sintetizado um hidrograma de cheia, empregando o método do SCS - Soil Conservation Service, para um parâmetro da curva índice CN=70 que apresentou uma vazão de pico de 705 m3/s e um volume total de 42.509.500 m3.
O hidrograma de cheia foi propagado pelo reservatório empregando o método de Puls Modificado, considerando a soleira do vertedouro na El. 760,00 m que representa a condição real de implantação da estrutura, e na El. 761,00 m, para a hipótese de alteamento e ganho da capacidade de armazenamento. Os resultados indicam que o reservatório apresenta um elevado potencial de amortecimento, reduzindo a vazão de pico do hidrograma afluente para 208 m3/s. Em ambas as hipóteses, a sobrelevação do nível de água do reservatório foi de 3,00 m, restando ainda as bordas livres de 2,50 m e de 1,50 m, respectivamente para a soleira do vertedouro na El. 760,00 m e El. 761,00 m.
DESCRIÇÃO GERAL DO APROVEITAMENTO
O aproveitamento concebido para a motorização do sistema é composto por :
Conforme mencionado, adotou-se a como premissa básica a continuidade do funcionamento da Estação Elevatória de Água Bruta durante a operação da PCH (dentro do horário de "ponta "do sistema elétrico). Desta forma, durante as três horas de operação conjunta, o sistema irá operar com uma vazão aduzida relativamente elevada1.
ALTERNATIVAS ANALISADAS
Para a configuração de arranjo básico proposta, foram analisadas duas alternativas de aproveitamento, diferenciadas pela fixação do NA máximo normal. Na primeira alternativa foi considerada a condição atual do reservatório com o NA máximo normal operativo na El. 760,00 m. Na segunda alternativa, admitiu-se a possibilidade de elevar o nível máximo para a El. 761,00 m através de um sistema de comportas a ser implantado sobre a soleira do vertedouro, implicando em um custo adicional de R$200.000,00 às obras previstas.
Em qualquer alternativa, os principais componentes do arranjo básico teriam as funções operativas descritas a seguir.
RESERVATÓRIO-VERTEDOURO
Em uma das alternativas analisadas foi considerado que cota do nível de água poderia variar da El. 741,00 m à El.761,00 m.
Dentro dessa concepção, deverão ser efetuados estudos posteriores com a finalidade de verificar o comportamento do reservatório e da tomada d'água frente a esta nova estratégia operativa. O vertedouro deverá ser adaptado para operar controlado por comportas. No caso da operação na cota 760,00 m, não haverá modificação no atual esquema do vertedouro.
BARRAGEM AUXILIAR DE REGULARIZAÇÃO
O reservatório auxiliar deverá garantir a vazão residual de 0,33 m3/s. Para isto, sugere-se a instalação de um sistema de descarga com um vertedouro de superfície para extravasar as vazões de cheia e uma estrutura auxiliar (sistema de válvulas) que terá a função de garantir a constância de fluxo residual de 0,33 m3/s.
ADUÇÃO
A adução do aproveitamento será feita através da tubulação forçada existente, mantendo-se a atual tomada d'água. A tubulação existente de 270 m será interligada por meio de uma bifurcação localizada próxima ao pé da barragem à duas tubulações de 1600 mm de diâmetro. Adotou-se este tipo de solução visando a menor interferência possível na estrutura existente. O fato de se interligar a tubulação de 1600 mm de diâmetro a duas de 1600 mm visa a redução da perda de carga a níveis aceitáveis do ponto de vista econômico. Esta solução entretanto deve ser melhor estudada nas etapas posteriores do projeto. A tubulação forçada será constituída de uma única linha. Na região próxima à Casa de Força existirá uma nova bifurcação que alimentará cada uma das turbinas existentes na usina.
CHAMINÉ DE EQUILÍBRIO
A Chaminé de Equilíbrio a ser implantada deve ser construída em aço ou concreto e tem como finalidade amortecer os efeitos dos aumentos de pressão no interior da tubulação causados por manobras no sistema de adução além de funcionar como deposito de água a ser utilizado nas manobras supra citadas. As suas dimensões e localização exatas devem ser determinadas na etapa de projeto básico.
CASA DE FORÇA E CANAL DE FUGA
A Casa de Força deverá ser feita em estrutura de concreto armado e com fechamento em alvenaria. Internamente, deverá ser instalada uma ponte rolante que permitirá a movimentação de peças e equipamentos dentro da instalação. Está prevista a instalação de dois conjuntos turbina-gerador.
O Canal de Fuga será em concreto e deverá fazer a restituição da água turbinada ao rio, preservando o leito do mesmo de efeitos de erosão provenientes da descarga das turbinas. A cota do nível do canal de fuga é considerada na El. 724,10 m.
SISTEMA DE TRANSMISSÃO
O Sistema de Transmissão deverá ser projetado para permitir a maior flexibilidade operativa possível e facilitar a retirada de toda a energia gerada durante os horários de ponta do sistema. Desta forma, prevê-se a construção de um sistema de interligação da usina ao sistema de bombeamento Serra Azul. A subestação elevatória, se necessária, deverá ser da classe de 22 / 34,5 kV e será construída próxima à casa de máquinas.
CRITÉRIOS ADOTADOS PARA O DESENVOLVIMENTO DOS ESTUDOS
Para a definição dos parâmetros de dimensionamento da motorização do sistema Serra Azul é necessária a seleção de critérios de análise para a avaliação do empreendimento.
Os critérios apresentados por [1] (Mínimo índice custo/benefício; Máximo benefício líquido; Máximo aproveitamento energético; Máxima taxa interna de retorno) servem para nortear os trabalhos e estudos de viabilidade de centrais hidrelétricas semelhantes à estudada neste trabalho. A estimativa inicial de custos pode ser feita mediante uma metodologia proposta por [2] e [3] ou por aquela de [1]. Neste trabalho iremos utilizar a metodologia proposta por [2] e [3]. O resultado deste exercício de determinação de custos e da energia gerada na usina indica a vazão ótima de projeto e o custo da energia gerada.
O método consiste na realização de simulação de diversas usinas gerando uma matriz de índices custo-benefício. O benefício corresponde à energia firme de cada aproveitamento valorada pelo custo marginal de expansão do sistema local, no nível de tensão imediatamente superior ao da interligação da central com o sistema. Esta valoração se dará no caso em que toda energia gerada pela usina for consumida em um nível de tensão não superior ao de interligação.
Uma vez gerada a matriz por aproveitamento hidrelétrico, seleciona-se a combinação vazão de projeto/altura da barragem que apresentar o melhor Índice Custo-Benefício. O beneficio liquido anual (BLA), associado a uma dada usina, pode ser calculado através da expressão dada a seguir:
sendo:
TE = tarifa média de energia, em US$/kWh;
E = energia gerada anualmente pela usina, em quilowatt hora médio;
Cu = custo total da usina, em US$;
i = a taxa anual de juros;
n = a vida útil econômica da central em anos ;
COM = custo anual de operação e manutenção da usina em US$.
A capacidade de regularização da usina será uma função das características do aproveitamento, principalmente do volume útil do reservatório e do sistema elétrico ao qual está interligada. Adota-se, para esse nível de análise, uma curva de carga de dois patamares. O primeiro patamar será o de base, no qual se adota uma geração nula. O segundo patamar, de ponta será usado para valorar toda a geração da usina.
O critério a ser adotado para este trabalho foi o do máximo retorno líquido, pesquisando-se taxas de juros que variaram de 10% a 30% a.a. e períodos de retorno do investimento de 5 a 30 anos. A adoção deste critério se deve ao fato de se procurar maximizar o empreendimento a partir do ponto de vista econômico.
Para a contabilização do beneficio energético optou-se por adotar como patamar de comparação o valor de 3400 kW (fornecido pela COPASA MG) que é o valor máximo da demanda da elevatória. Assim o valor do custo de energia gerada corrigida pode ser obtido por:
Sendo:
CEG = custo de energia gerada corrigida do aproveitamento, em US$/kWh;
CEGuhe = custo de energia gerada da usina, em US$/kWh;
E = energia gerada anualmente pela usina, em quilowatt hora médio;
TP = tarifa de ponta de energia, em US$/kWh;
PI = potência instalada kW;
A utilização do custo de energia gerada corrigida do aproveitamento (CEG) se deve ao fato de que para alternativas de implantação da usina que não contemplem a eliminação da ponta do sistema, a COPASA deverá adquirir da CEMIG o restante necessário para suprir o bombeamento na elevatória.
Para a contabilização do benefício liquido da central calculou-se a produtividade da Usina para cada altura de operação. Desta forma manteve-se a potência de motorização e variou-se a vazão no sistema, respeitando-se o período crítico do histórico de vazões utilizado. Devido a variação desta vazão calculou-se para cada situação o valor da perda de carga no mesmo. Assim obteve-se o valor do deplecionamento do reservatório durante a operação da usina no período crítico.
MOTORIZAÇÃO DO SISTEMA SERRA AZUL
A estimativa inicial da capacidade instalada e da energia gerada foi baseada nas alturas de quedas disponíveis, na vazão afluente ao aproveitamento e nas variações possíveis da taxa de retorno e vida útil. As alturas de queda variam de 25 m a 40 m. Admite-se uma perda de carga inicial variando de 3% a 9,3 % no sistema de adução da usina. Desta forma, pode-se chegar ao equacionamento hidráulico e à otimização geral do sistema como um todo. Para o cálculo da potência frente a variação da vazão, optou-se por calcular a perda de carga pela formula de Hazen-Willians, adotando-se um coeficiente C de 140 [4].
A forma de funcionamento do sistema elétrico adotada em primeira análise considera que a central funcionará como usina de ponta.
A estimativa inicial de custos foi efetuada a partir do programa computacional de um modelo de simulação de custos de usinas, parametrizado a partir de um conjunto de UHEs representativas do nível de tecnologia aplicado ao caso considerado. Com esse modelo é possível selecionar alternativas de motorização baseado no critério de tarifa de energia adotada como ponto de corte para análise. Assim tem-se:
A operação da usina na ponta do sistema da empresa, permite obter um benefício de ponta oriundo da redução da demanda contratada entre a Companhia e a CEMIG. Desta forma, pode-se contabilizar os ganhos oriundos da redução do contrato de demanda durante o horário de ponta e praticar a tarifa de base apenas nos horários fora da ponta.
A interligação do aproveitamento múltiplo do Sistema Serra Azul com o sistema elétrico da CEMIG será necessária em função da importância de se proceder à troca de energia com a empresa, possibilitando, o abastecimento do sistema no horário de ponta / fora da ponta, reduzindo assim a demanda da COPASA MG e aliviando a CEMIG nos horários críticos.
O resultado desse exercício de determinação de custos e da energia gerada nas configurações analisadas indicou a vazão ótima de projeto e o custo da energia gerada.
Devido a complexidade e volume de cálculos envolvidos, optou-se por fazer inicialmente a simulação da operação da usina sob a hipótese do reservatório não se constituir em um ponto de restrição para a geração. Esta estratégia permite a identificação das taxas e tempos de retorno de capital possíveis com um pequeno esforço computacional Desta forma adotou-se como nível normal operativo as cotas de 764.00 à 760.00.
Os resultados de simulação obtidos com ajuda do programa computacional indicam que as taxas de juros possíveis de serem praticadas para este sistema se situam entre 16 a 20 % a/a para dez anos de retorno, para 15 anos de retorno as taxas se situam entre 19 e 23 % a/a e para 20 anos entre 20 e 23.5% a/a.
A operação do reservatório no período crítico do sistema elétrico é uma restrição a ser considerada. Nesta etapa de trabalho optou-se por uma simulação dentro do período crítico tomando-se as médias de vazão mensais. Para esta simulação adota-se os seguintes pontos para cálculo:
Esta simulação apresentou um índice de motorização para a cota de 761,00 m de aproximadamente 13 % (314 kW) acima da opção sem a adoção do sistema de comportas (cota de 760,00). Devido a este valor, considerado elevado, a opção que contempla a utilização de comportas foi melhor estudada ainda nesta etapa e chegou-se a conclusão que a elevação do nível do reservatório2 traria problemas de ordem estrutural e operativa para a barragem do Sistema Serra Azul. Assim, levando-se em consideração os fatores acima optou-se por trabalhar na cota 760,00. Pelos resultados apresentados na tabela 2(a) pode-se observar que a implantação de uma PCH associada ao sistema Serra Azul se torna interessante para potências entre 1884 kW e 2512 kW, taxas de juros que variam de 10 a 18% a/a e período de retorno entre 10 e 20 anos. As tabelas 2(a, b) apresentam a relação índice custo benefício para as hipóteses de geração hidrelétrica contempladas. Adotou-se o valor de 3450 kW como sendo o valor de referência para comparação das alternativas. As demais alternativas tiveram os seus custos de geração acrescidos do montante necessário para se atingir o patamar de referência, o que provoca a elevação do ICB. Pode-se observar pela análise da tabelas 2(a, b) que a motorização do sistema Serra Azul apresenta as seguintes características:
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Os resultados desses estudos preliminares indicaram que a motorização da Barragem de Serra Azul é viável e que a elevação da cota operativa em torno de um metro não deve ser adotada. O ponto tecnicamente factível e limítrofe para a exploração energética é a cota de 760,00 m. Acima deste ponto, se a empresa considerar necessário, deve-se proceder estudos mais profundos visando a identificação das interferências da elevação desta cota sobre a área inundada e os efeitos sobre o vertedouro da Barragem do Sistema Serra Azul.
O potencial econômico de motorização para o sistema Serra Azul que corresponde à cota operativa normal no nível de 760,00 varia de 1884 kW a 2512 kW.
Para o prosseguimento dos estudos, recomenda-se a execução das seguintes atividades:
REFERÊNCIAS
[1] SANT'ANA, R.F. - Assessing the Feasibility of Small Hydroelectric Power Plants. Tese de doutorado. Colorado State University. Fort Collins. Colorado 1983 .
[2] MARTINEZ, C.B. Pré-Dimensionamento de PCH's. Dissertação de Mestrado, EFEI - 1988.
[3] MARTINEZ, C.B. As Interações entre o Planejamento e o Projeto de Usinas Hidrelétricas. O Caso das PCH's no Brasil. Tese de doutorado, UNICAMP - 1994.
[4] MACINTYRE, A. J. Bombas e Instalações de bombeamento. Rio de Janeiro, Guanabara Dois, 1982.
[5] COPASA. Estudo preliminar para identificação das alternativas de motorização da barragem do sistema Serra Azul, Belo Horizonte , 1997.
1 Vazão de turbinamento da PCH somada a vazão da elevatória)
2 A partir das restrições operativas existentes e das características da cheia máxima possível na barragem do Sistema Serra Azul.
